Os Fundamentos da PDN para o Projetista de PCB

Quando os projetistas de PCB ouvem o termo "PDN", ou "Rede de Distribuição de Energia", isso pode evocar noções de gráficos de Bode, magia negra e outras coisas misteriosas e assustadoras. Na realidade, o objetivo da PDN é tão direto quanto a maioria dos aspectos do design de PCB que afetam o desempenho da PDN. Neste documento, explicaremos os vários aspectos da maioria dos designs de PDN e como o software de design de PCB pode influenciá-los.

OBJETIVO GERAL: CORRENTE E TENSÃO SUFICIENTES PARA TODAS AS CARGAS

O objetivo fundamental de uma Rede de Distribuição de Energia é muito direto - fornecer corrente e tensão suficientes para cada carga, a fim de atender aos seus requisitos de operação. Embora o design geral de uma PDN, incluindo reguladores de tensão, desacoplamento no próprio chip, embalagem, montagem de componentes, etc., seja uma ciência muito desafiadora que requer treinamento especializado e experiência, otimizar um PCB para o desempenho da PDN é menos complicado, uma vez que um projetista de PCB é limitado no que pode fazer. Neste documento, focaremos no que considerar dentro do layout do PCB para garantir que seu design de PCB fornecerá corrente e tensão suficientes para todas as suas cargas.

REQUISITO 1: METAL SUFICIENTE ENTRE FONTES E CARGAS

Garantir que haja metal suficiente (geralmente cobre) entre cada uma das fontes e suas cargas correspondentes é o aspecto mais crítico do design de PDN. Por outro lado, por um custo nominal, o IPC-2152 fornece diretrizes bastante diretas sobre como fazer isso. Dado a corrente máxima esperada e o aumento de temperatura permitido, a especificação indica qual deve ser a largura mínima para o seu desenho de alimentação. Infelizmente, um designer que usa apenas o IPC-2152 estará superdimensionando seu software de design de PCB enquanto desconhece problemas em seu projeto, o que vem com várias limitações, incluindo:

- As recomendações de largura do IPC-2152 são muito conservadoras. Elas representam cálculos usando dados de um cenário térmico de pior caso (placa de 2 camadas sem cobre adjacente) e os usuários normalmente fazem as suposições mais conservadoras (por exemplo, aumento de temperatura mínimo permitido). Projetos feitos usando apenas o IPC-2152 podem ter formas de alimentação muito maiores do que o necessário.

- As recomendações de via do IPC-2152 são conservadoras. Isso é especialmente problemático, pois vias para um trilho de alimentação podem perfurar as formas de alimentação acima e abaixo, portanto, o número e os tamanhos das vias devem ser otimizados. Projetos feitos usando apenas o IPC-2152 podem ter vias de alimentação maiores ou em maior quantidade do que o necessário.

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Despejo de Cobre Conservador

- O IPC-2152 aplica-se apenas ao design mais simples. Uma largura consistente da fonte à carga sem quaisquer perfurações de vias ou restrições de componentes e outras formas. O IPC-2152 não oferece orientações sobre como abordar imperfeições nas formas de energia de um design.

- O IPC-2152 não oferece insights sobre o posicionamento dos trilhos de energia associados. Reguladores de tensão frequentemente têm requisitos específicos para as diversas formas de energia associadas a eles, da entrada à saída, possivelmente incluindo feedback.

Os designers precisam de melhores ferramentas para otimizar o tamanho e a forma de seus trilhos de energia (e terra), comumente referidos como “PI-DC” ou “Queda de IR”. A Altium integrou essa capacidade ao seu ambiente de design com o PDN Analyzer para tornar o mais fácil possível atender aos requisitos de PDN. Em vez de depender do IPC-2152, um designer pode analisar cada trilho de energia para ver quanto metal é apropriado, incluindo aspectos que o IPC-2152 não aborda, como:

- Distância entre a fonte e as cargas

- Queda de tensão permitida entre a fonte e as cargas

- Corrente permitida através dos pinos do conector

- Compensação por perfurações ou restrições no plano de terra de vias, conectores, etc.

- Partes das formas de alimentação ou terra que não conduzem corrente, tornando-as candidatas a problemas potenciais como falhas de EMI e crosstalk excessivo

- Eficiência das formas de alimentação e terra

O PDN Analyzer permite que o projetista atenda rapidamente e facilmente ao aspecto mais fundamental do projeto de PDN - otimizando o design do metal entre as fontes e as cargas.

Projeto com Península e Ilhas de Cobre em Azul

REQUISITO 2: TAMANHOS, VALORES, NÚMEROS E POSICIONAMENTO DE CAPACITORES

O próximo aspecto do design sob o controle do editor de PCB é a otimização de capacitores. À primeira vista, isso pode parecer intimidante, pois envolve características dependentes da frequência, que são muito menos intuitivas do que o aspecto PI-DC. Felizmente, a complexidade é limitada pelo número de parâmetros que afetam a eficiência do capacitor e que um esquemático de designer de PCB pode influenciar, incluindo:

- Seleção de capacitores (tamanhos, valores e números)

- Posicionamento de capacitores

- Empilhamento de camadas

Os dois últimos são facetas que o designer de PCB personalizado pode influenciar mais e sua otimização exige a observação de diretrizes específicas, incluindo (Bogatin, 2011):

- Distribuição de capacitores ao redor do pacote da carga

- Posicionamento próximo de capacitores

- Colocando os planos de alimentação e terra do trilho de alimentação o mais próximo possível da superfície da placa

- Usando o dielétrico mais fino possível entre os planos de alimentação e terra

- Alternando a polaridade das vias dos capacitores quando estão em proximidade

Colocação de Capacitores ao Redor do Pacote de Carga

Existem também ferramentas gratuitas disponíveis para auxiliar o projetista na otimização de capacitores, incluindo Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) e Altera (como sua “ferramenta de PDN”).

UMA NOTA SOBRE A COMPLEXIDADE DO DESIGN

Existem sistemas de entrega de energia mais sofisticados, como controladores de motores com requisitos adicionais como indutores, loops de feedback, etc., que não abordaremos aqui. Nestes casos, serão necessárias ferramentas de análise e/ou diretrizes mais complexas do que a maioria dos projetistas de PCB têm acesso.

Gráfico de Densidade de Corrente em Design Complexo Rígido-Flexível

É SÓ ISSO?

O design de uma solução de PDN para todo o sistema, atendendo às capacidades e requisitos de cada fonte e carga, é uma ciência muito sofisticada. Mas o PDN Analyzer permite que o software de design de PCB otimize facilmente as formas de alimentação e terra para usar a menor quantidade de espaço e componentes possível, enquanto aumenta a confiabilidade de um design.

Densidade de Corrente em Design Rígido-Flexível