Medição de Impedância PDN para Design de Subsistema de Energia

Quando se trata dos complexos designs de PCB de alta velocidade e múltiplas camadas de hoje, um dos aspectos mais críticos do processo de desenvolvimento do produto foca no design do subsistema de energia. Para essa parte do design, o objetivo é tornar a impedância da PDN o mais baixa possível (alguns miliOhms) em uma ampla gama de frequências. Ao determinar que a impedância da PDN do subsistema de energia atende adequadamente aos parâmetros de desempenho da PCB final, existem elementos específicos que são abordados durante o processo de teste:

• Criando os pontos de teste de acesso na PCB usados para uma medição de impedância da PDN.
• Criando a configuração de teste de impedância da PDN versus frequência.
• Criando sondas de teste feitas sob medida.

Este artigo descreverá esses elementos e como eles garantem que o processo de teste de impedância do subsistema de energia reflita o desempenho real do produto final.

O Desafio da Medição de Impedância da PDN

O principal dilema em torno do processo de medição da impedância da Rede de Distribuição de Energia (PDN) (e outras medições de integridade de energia) é que os desenvolvedores de produtos nem sempre sabem a largura de banda do sinal que os ICs em uma PCB exigirão. Como resultado, essa impedância precisa ser mantida baixa desde DC até dezenas de GHz. Isso é alcançado construindo uma PCB com um empilhamento que corresponda ao empilhamento para o seu design pretendido. Também deve incluir os capacitores que você pretende usar em sua PDN colocados em seus locais pretendidos. Em seguida, você precisa medir a impedância versus frequência para toda a placa.

Figura 1 ilustra como projetar os pontos de acesso usados para medir a impedância da fonte de alimentação e dos capacitores de desvio. 

Este teste verifica se a população de capacitores de desacoplamento está correta para cada plano de alimentação, ou para cada tensão de alimentação se múltiplas fontes são usadas na mesma placa. Dois desses pontos de acesso são necessários para cada entrada de alimentação ou plano de alimentação. Essas duas estruturas devem ser colocadas a pelo menos uma polegada de distância uma da outra e, em seguida, etiquetadas com a tensão à qual se conectam. O primeiro ponto permite que um sinal seja injetado no capacitor do plano, enquanto o segundo permite a medição da tensão resultante. Esses pontos de acesso são projetados de tal forma que permitirão o uso de sondas especiais de baixa indutância (mais sobre essas sondas abaixo) para fazer as conexões da placa a um analisador de espectro que será usado para realizar os testes reais. Os adesivos na Figura 2 mostram pontos de acesso para sondas de teste em um exemplo de PCB.

Um analisador de espectro com um gerador de sinal de rastreamento é usado para coletar a medição de Z vs. F (impedância da PDN versus frequência), como é mostrado na Figura 3.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

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A saída do gerador de sinal de rastreamento é usada para injetar a corrente constante mencionada acima. Os dados exibidos na tela do analisador de espectro são configurados para serem exibidos em volts, e são proporcionais à impedância da PDN.

As sondas de teste mencionadas de ultra-baixa indutância e ultra-baixa impedância são mostradas na Figura 4. Elas são construídas a partir de um curto pedaço de cabo coaxial semi-rígido SR 141 com um conector SMA macho em uma extremidade e um curto pedaço de arame rígido (agulhas de costura funcionam) na outra. 

Uma vez que os dados tenham sido obtidos do analisador de espectro, o engenheiro que realiza o teste usa a corrente injetada para converter a tensão medida em impedância. Com base no resultado desses dados, pode-se determinar se os objetivos de impedância do design do subsistema de energia foram alcançados.

Uma Advertência

Se não houver pontos de teste em uma placa como os mostrados na Figura 1, será necessário soldar cabos coaxiais nos locais que fazem contato com os dois planos sendo medidos. A melhor maneira de fazer isso é remover dois capacitores 0603 e soldar os cabos coaxiais, conforme mostrado na Figura 5. 

Ao soldar os terminais na PCB, conforme mostrado nesta figura, é útil ter uma maneira rápida de desconectar os cabos do analisador. A maneira mais fácil de fazer isso é usando conectores BNC, como os mostrados na Figura 3. A Figura 6 mostra adaptadores SMA conectando aos cabos de teste com sondas neles. Para medir a impedância versus frequência com precisão, as conexões devem estar suficientemente afastadas para que os dois caminhos não criem alguma indutância mútua.

Resumo

Agora que sinalização diferencial se tornou tão fácil, o aspecto mais desafiador dos designs atuais é acertar o sistema de entrega de energia. Uma das placas para as quais recentemente prestamos serviços de consultoria tinha mais de 200 links diferenciais de 28 Gbps. Levou cerca de um dia para descobrirmos como lidar com todos esses links. Esse mesmo design tinha 29 trilhos de tensão diferentes; descobrir a demanda de corrente em cada trilho, delta(i), e o ripple levou quase um mês.

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Referências

1. Ritchey, Lee W., e Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design,” Volume 2.
2. Ritchey, Lee W., Slides do Curso, “2-Day Signal Integrity and High Speed System Design,” classe de treinamento.