Dlaczego szyny zasilające PCB muszą mieć niską impedancję

Jak zostało zauważone w kilku moich artykułach oraz w dostępnych dla branży informacjach o projektowaniu PCB, uzyskanie prawidłowej impedancji jest kluczowe dla zapewnienia, że produkt będzie działał prawidłowo i zgodnie z założeniami.

To, co nie jest tak łatwo zrozumiałe i może pozostać wyzwaniem, jeśli nie zostanie odpowiednio zaadresowane podczas fazy rozwoju produktu, to potrzeba, aby wszystkie szyny zasilające PCB były o niskiej impedancji zasilania, aby uniknąć nadmiernych zakłóceń na sygnałach. Ten artykuł poruszy tę potrzebę, w tym co stanowi elektronikę szyn zasilających, jak funkcjonują, jak strach może być czynnikiem napędzającym podejmowanie złych decyzji projektowych, oraz co to jest szyna zasilająca.

Przegląd Impedancji

Impedancja jest istotną właściwością linii transmisyjnych. Jest to opór, jaki linia transmisyjna stawia przepływowi energii wzdłuż niej. Składa się z trzech elementów pasożytniczych - rezystancji, pojemności i indukcyjności. Jak wykazano, pasożytnicza rezystancja jest głównym czynnikiem określającym impedancję linii transmisyjnej przy prądzie stałym lub niskich częstotliwościach. Gdy częstotliwość wzrasta powyżej kilku kiloherców, reaktancja pasożytniczej indukcyjności zaczyna blokować lub utrudniać przepływ energii. Jednocześnie pasożytnicza pojemność ma tendencję do odprowadzania energii do „ziemi” lub płaszczyzny. To właśnie te dwa elementy działają razem w taki sposób, że pole elektromagnetyczne widzi określoną impedancję na wszystkich częstotliwościach.

Definicja szyn zasilających PCB

Co więc jest szyną zasilającą? Szyna zasilająca to cała lub część warstwy płaszczyzny, która jest używana dla pewnego napięcia, dostarcza energię, aby układ działał. W praktycznie wszystkich płytkach drukowanych, niektóre sygnały, często połowa z nich, muszą być prowadzone przez warstwy zasilające. W rezultacie nieuniknione jest, że jakiekolwiek tętnienia lub szumy na danej płaszczyźnie zasilającej będą sprzężone z każdym sygnałem, który jest prowadzony przez tę konkretną płaszczyznę.

Ripple składa się z wahań napięcia, które pojawiają się na szynach zasilających Vcc lub Vdd. Te wahania mogą być generowane przez samą szynę zasilającą lub przez zmienne prądy obciążenia, które powodują spadek napięcia zasilania. Pod względem zakłóceń, dziesięć możliwych źródeł może być generowanych przez projekt. Obejmują one:

• Odbicia
• Odbicia masy
• Przesunięcia masy
• Przesunięcia termiczne
• Spadek IR ścieżki
• Zakłócenia międzyścieżkowe
• Spadek IR masy
• Dokładność odniesienia
• Zakłócenia terminatora
• Wahania zasilacza

W kontekście tej dyskusji, gdzie niemal wszystkie urządzenia logiczne są CMOS, najbardziej prawdopodobnymi źródłami zakłóceń są odbicia, zakłócenia międzyścieżkowe, Vdd, oraz odbicia masy i ripple na Vdd.

Aby uniknąć nadmiernego zakłócenia sygnałów, szyny PCB muszą być zaprojektowane tak, aby miały bardzo niską impedancję. W rezultacie, kiedy patrzy się na różnicę prądu (delta I) w stosunku do zakłóceń, jak to ma miejsce podczas korzystania z narzędzi EDA, które obliczają, jaką impedancję ostatecznie uzyskamy, można otrzymać odpowiedź, że impedancja będzie stosunkowo wysoka. Poziom zakłóceń będzie jednak nadal zadowalający. Dzieje się tak, gdy delta I jest naprawdę mała. Impedancja okazuje się być naprawdę wysoka, ale dzieje się tak, ponieważ obciążenie nie jest duże. Uwaga: Należy zauważyć, że niektóre elektroniki szyn zasilających są niskiej mocy, ale nie jest to przedmiotem dyskusji w tym artykule.

Wyzwania

Wyzwanie związane z projektowaniem szyny zasilającej PCB o niskiej impedancji polega na tym, że szyna zasilająca najprawdopodobniej będzie częścią płaszczyzny, a nie całą płaszczyzną. Dlatego konieczne jest podzielenie płaszczyzny zasilającej, ale w wyniku tego pojawią się luki. W rezultacie, sygnały przekraczające te luki będą wydawały się mieć przerwaną ścieżkę prądu zwrotnego przez luki. Problem ten rozwiązuje się przez zaprojektowanie tej części płaszczyzny tak, aby miała bardzo niską impedancję między płaszczyzną a warstwą uziemienia pod nią, tak aby prąd zwrotny znajdował drogę przez lukę przez tę sekcję o bardzo niskiej impedancji.

Powyższe podejście eliminuje potrzebę adresowania trasowania ścieżek przez luki w płaszczyznach, co wiele zasad projektowania mówi, że nie można zrobić. Rysunek 1 pokazuje zmierzone dane sygnałów przekraczających lukę, która została zaprojektowana w ten sposób. Niebieski ślad to sygnał przekraczający lukę w płaszczyźnie, przez którą jest trasowany. Niewielkie odbicie w górę w środku śladu wskazuje miejsce, gdzie znajduje się luka. Jak widać, sygnał nad luką nie jest zakłócony. (Czerwony ślad to sygnał na krótszej ścieżce, która nie przebiega przez lukę).
 

Podstawą wszystkiego jest niezłomna zasada, że nie przecina się płaszczyzn masy, ponieważ to one łączą wszystko ze sobą. Nasze doświadczenie pokazuje, że kiedy twórcy produktów dokonują cięć w swoich płaszczyznach masy, robią to albo próbując rozwiązać problem, który sobie wyimaginowali, albo starają się rozwiązać kwestię izolacji jednego obwodu od drugiego. Klasyczne, błędne rozumowanie za tym stojące polega na oddzieleniu mas analogowych i cyfrowych. Dzieje się tak, gdy inżynierowie projektanci nie rozumieją, dlaczego na części znajdują się dwa różne piny, jeden analogowy i jeden cyfrowy, które zapewniają ścieżkę do wnętrza układu scalonego. Ci inżynierowie często działają na podstawie obawy, że niechciane zakłócenia przeniosą się z jednej strony płytki na drugą. W rezultacie przecinają płytę, aby izolować to, co w ostatecznej analizie jest problemem wyimaginowanym.

Poprzednia sytuacja może wynikać z doświadczeń dewelopera produktu, który podczas symulacji zauważył, że istnieje różnica lub niepożądana interferencja między jedną stroną PCB a drugą i że jest ona na tyle znacząca, iż może spowodować problem. Kiedykolwiek jesteśmy postawieni przed tego typu scenariuszem, prosimy o zaprezentowanie zmierzonych danych z rzeczywistego działającego sprzętu. Tylko dzięki tego rodzaju dowodom można łatwo stwierdzić problem.

Podsumowanie

Aby uniknąć nadmiernego zakłócenia sygnałów, szyny zasilające PCB muszą charakteryzować się niską impedancją. Ponieważ obwód szyny zasilającej najprawdopodobniej będzie częścią płaszczyzny, a nie całej płaszczyzny, konieczne jest podzielenie płaszczyzny zasilającej. Spowoduje to powstanie przerw, i może się wydawać, że te przerwy zakłócają ścieżkę powrotną prądu. Problem ten rozwiązuje się przez zaprojektowanie tej części płaszczyzny tak, aby charakteryzowała się niską impedancją, dzięki czemu prąd powrotny znajduje drogę przez te przerwy.

Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta w Altium i dowiedz się, jak możemy pomóc Ci w Twoim kolejnym projekcie PCB.