Podstawy PDN dla projektanta PCB

Gdy projektanci PCB słyszą termin „PDN”, czyli „Power Distribution Network” (Sieć Dystrybucji Energii), mogą im się nasuwać skojarzenia z wykresami Bodego, czarną magią i innymi tajemniczymi, przerażającymi rzeczami. W rzeczywistości cel PDN jest tak prosty, jak większość aspektów projektowania PCB, które wpływają na wydajność PDN. W tej pracy wyjaśnimy różne aspekty większości projektów PDN i jak oprogramowanie do projektowania PCB może na nie wpływać.

OGÓLNY CEL: WYSTARCZAJĄCY PRĄD I NAPIĘCIE DLA WSZYSTKICH OBNIĄŻEŃ

Podstawowy cel Sieci Dystrybucji Energii jest bardzo prosty - zapewnić wystarczającą ilość prądu i napięcia dla każdego obciążenia, aby spełnić ich wymagania operacyjne. Chociaż ogólny projekt PDN, w tym regulatory napięcia, dekupling na chipie, pakowanie, montaż komponentów itp., jest bardzo wymagającą nauką, która wymaga specjalistycznego szkolenia i doświadczenia, optymalizacja PCB pod kątem wydajności PDN jest mniej skomplikowana, ponieważ projektant PCB jest ograniczony w tym, co może zrobić. W tej pracy skupimy się na tym, co należy wziąć pod uwagę w układzie PCB, aby zapewnić, że projekt PCB zapewni wystarczający prąd i napięcie dla wszystkich obciążeń.

WYMAGANIE 1: WYSTARCZAJĄCA ILOŚĆ METALU POMIĘDZY ŹRÓDŁAMI A OBNIŻENIAMI

Zapewnienie wystarczającej ilości metalu (zazwyczaj miedzi) pomiędzy każdym z źródeł a odpowiadającymi im obciążeniami jest najważniejszym aspektem projektowania PDN (Power Distribution Network). Na szczęście, za nominalną opłatą, IPC-2152 dostarcza dość proste wytyczne, jak to zrobić. Biorąc pod uwagę maksymalny oczekiwany prąd i dopuszczalny wzrost temperatury, specyfikacja podaje, jaką minimalną szerokość powinien mieć kształt zasilania. Niestety, projektant korzystający tylko z IPC-2152 będzie projektował swoje oprogramowanie do projektowania PCB z nadmiarem, nie zdając sobie sprawy z problemów w swoim projekcie, co wiąże się z kilkoma ograniczeniami, w tym:

- Zalecenia dotyczące szerokości IPC-2152 są bardzo konserwatywne. Reprezentują one obliczenia przy użyciu danych z najgorszego termicznego przypadku (płytka 2-warstwowa bez sąsiedniej miedzi) i użytkownicy zazwyczaj przyjmują najbardziej konserwatywne założenia (np. minimalny dopuszczalny wzrost temperatury). Projekty wykonane tylko z użyciem IPC-2152 mogą mieć znacznie większe kształty zasilania niż jest to konieczne.

- Zalecenia dotyczące via IPC-2152 są konserwatywne. Jest to szczególnie problematyczne, ponieważ via dla jednej szyny zasilającej mogą perforować kształty zasilania powyżej i poniżej, dlatego liczba i rozmiary via powinny być zoptymalizowane. Projekty wykonane tylko z użyciem IPC-2152 mogą mieć większe lub więcej via zasilających niż jest to konieczne.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Learn More

Konserwatywne wylewanie miedzi

- IPC-2152 dotyczy tylko najprostszych projektów. Stała szerokość od źródła do obciążenia bez żadnych perforacji od przelotek czy zwężeń od komponentów i innych kształtów. IPC-2152 nie podaje wskazówek, jak radzić sobie z niedoskonałościami w kształtach zasilania projektu.

- IPC-2152 nie daje wglądu w rozmieszczenie powiązanych szyn zasilających. Regulatory napięcia często mają specyficzne wymagania dla różnych kształtów zasilania z nimi związanych, od wejścia do wyjścia, możliwe że włączając w to sprzężenie zwrotne.

Projektanci potrzebują lepszych narzędzi do optymalizacji rozmiaru i kształtu ich szyn zasilających (i masowych), powszechnie określanych jako „PI-DC” lub „Spadek IR”. Altium zintegrowało tę możliwość w swoim środowisku projektowym z PDN Analyzer, aby jak najłatwiej spełnić wymagania PDN. Zamiast polegać na IPC-2152, projektant może analizować każdą szynę zasilającą, aby zobaczyć, ile metalu jest odpowiednie, w tym aspekty, których IPC-2152 nie adresuje, takie jak:

- Odległość między źródłem a obciążeniami

- Dozwolony spadek napięcia między źródłem a obciążeniami

- Dozwolony prąd przez piny złącz

- Kompensowanie perforacji lub zwężeń w płaszczyźnie masy od przelotek, złącz itp.

- Części kształtów masy lub zasilania, które nie przewodzą prądu, co czyni je kandydatami na potencjalne problemy, takie jak awarie EMI i nadmierne przebicie

- Efektywność kształtów masy i zasilania

PDN Analyzer pozwala projektantowi szybko i łatwo spełnić najbardziej podstawowy aspekt projektowania PDN - optymalizację projektu metalu między źródłami a obciążeniami.

Projektowanie z półwyspami i wyspami miedzi w kolorze niebieskim

WYMAGANIE 2: ROZMIARY, WARTOŚCI, ILOŚCI I ROZMIESZCZENIE KONDENSATORÓW

Kolejnym aspektem projektu pod kontrolą edytora PCB jest optymalizacja kondensatorów. Na pierwszy rzut oka może to wydawać się onieśmielające, ponieważ wiąże się z charakterystykami zależnymi od częstotliwości, które są mniej intuicyjne niż aspekt PI-DC. Na szczęście złożoność jest ograniczona przez liczbę parametrów wpływających na efektywność kondensatorów, które schemat projektanta PCB może wpłynąć, w tym:

- Dobór kondensatorów (rozmiary, wartości i ilości)

- Rozmieszczenie kondensatorów

- Układ warstw

Ostatnie dwa to aspekty, na które projektant PCB na zamówienie może mieć największy wpływ, a ich optymalizacja wymaga przestrzegania określonych wytycznych, w tym (Bogatin, 2011):

- Rozpraszanie kondensatorów wokół obudowy obciążenia

- Bliskie rozmieszczenie kondensatorów

- Umieszczanie płaszczyzn zasilania i masy szyny zasilającej jak najbliżej powierzchni płytki

- Używanie najcieńszego możliwego dielektryka pomiędzy płaszczyznami zasilania i masy

- Zmienianie polaryzacji przelotek kondensatorów, gdy znajdują się one w bliskiej odległości

Umieszczanie kondensatorów wokół obudowy obciążenia

Dostępne są również darmowe narzędzia, które mogą pomóc projektantowi w optymalizacji kondensatorów, w tym Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) oraz Altera (jako ich „narzędzie PDN”).

UWAGA NA TEMAT ZŁOŻONOŚCI PROJEKTU

Istnieją bardziej zaawansowane systemy dostarczania energii, takie jak sterowniki silników z dodatkowymi wymaganiami, takimi jak dławiki, pętle sprzężenia zwrotnego itp., których tutaj nie omówimy. W tych przypadkach konieczne będą bardziej złożone narzędzia analizy i/lub wytyczne, niż większość projektantów PCB ma do dyspozycji.

Wykres gęstości prądu na złożonym projekcie sztywno-elastycznym

TO WSZYSTKO?

Projektowanie rozwiązania PDN na poziomie całego systemu, spełniającego możliwości i wymagania każdego źródła i obciążenia, jest bardzo zaawansowaną nauką. Ale PDN Analyzer pozwala oprogramowaniu do projektowania PCB łatwo optymalizować kształty zasilania i masy, aby wykorzystać jak najmniej przestrzeni i komponentów, jednocześnie zwiększając niezawodność projektu.

Wykres gęstości prądu w projektowaniu sztywno-elastycznym