5 мифов о целостности питания: версия AC

Если вы думали, что целостность сигнала и EMI окружены множеством мифов, то подождите, пока не столкнётесь с power integrity. В силовой электронике и проектировании печатных плат power integrity бывает двух типов: о DC power integrity мы уже говорили в другом материале блога, а теперь пришло время рассмотреть пять самых распространённых мифов об AC power integrity. Давайте сразу перейдём к делу!

Миф 1: Подойдёт любой источник питания

Во многих обсуждениях power integrity полностью игнорируется роль регулятора питания и предполагается, что он теоретически идеален. В реальности производители полупроводниковых компонентов поставляют изделия для высокоскоростных цифровых систем со специально разработанными регуляторами питания, способными обеспечивать питание на высоких скоростях. Типичные модули стабилизации напряжения для высокоскоростных цифровых шин питания имеют три важные характеристики:

• Это многофазные понижающие преобразователи
• Они имеют высокую полосу пропускания контура управления
• Они имеют низкую выходную индуктивность

Причина первого пункта в том, что многофазные схемы могут работать с более высокой эффективной частотой переключения при низком коэффициенте заполнения на фазу, что уменьшает коммутационный шум на выходе. Я описывал этот важный момент в другом материале блога.

Однако для высокоскоростных цифровых проектов второй пункт ещё важнее, поскольку он определяет, насколько быстро регулятор может реагировать на переходные процессы на выходе и тем самым поддерживать стабильное выходное напряжение. Следствие второго пункта состоит в том, что регулятор имеет низкий выходной импеданс, и этот импеданс должен оставаться низким вплоть до очень высоких частот. Вместе эти факторы обеспечивают то, что регулятор и структура PDN (с её дискретными конденсаторами и ёмкостью плоскостей) могут подавлять пульсации на шине питания, когда начинают переключаться быстродействующие цифровые I/O.

Миф 2: Одного слоя питания достаточно

В некоторых проектах действительно можно обойтись одним слоем питания, даже если он разделён на несколько шин. Для цифровых процессоров меньшего размера, которые могут иметь менее 1000 шариков в корпусе BGA, всё равно потребуется несколько напряжений питания. Однако слой питания можно сегментировать на крупные шины, чтобы подать всю необходимую мощность на процессор. Ниже показан пример, демонстрирующий возможное количество и разнообразие шин питания на одном слое, питающем большой BGA.

Если попытаться разместить слишком много шин питания на одном слое, эти шины могут в итоге переносить слишком большой ток. В таком случае может понадобиться ещё один слой питания для сильноточных шин.

По мере увеличения размеров процессоров и необходимости поддерживать большее число I/O на более высоких скоростях может потребоваться несколько слоёв силовых плоскостей, и у каждого из них должна быть собственная плоскость земли. Это необходимо для обеспечения достаточной ёмкости плоскостей, чтобы удерживать импеданс PDN ниже подходящего целевого уровня. Для крупных цифровых процессоров нормой являются значения импеданса PDN на уровне менее миллиома в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц. К таким процессорам относятся, например, большие CPU и крупные FPGA с более чем 1000 выводов.

Миф 3: Диэлектрики с низким Dk полезны для power integrity

В высокоскоростных цифровых проектах часто используются современные материалы FR4 со значениями Dk от 3 до 4. Эти материалы также обычно имеют низкую дисперсию, и в сочетании с низким значением Dk они полезны для целостности сигнала в каналах с большой полосой пропускания. Однако диэлектрики с низким Dk не всегда являются лучшим выбором для power integrity.

Дело не в том, что материалы с низким Dk «плохи» для power integrity, а в том, что более высокое значение Dk в паре плоскостей питания и земли может оказаться лучшим вариантом. Причина в том, что диэлектрики с более высоким Dk обеспечивают большую ёмкость плоскостей при заданной толщине. Именно поэтому в некоторых случаях в стеке слоёв используют специальный материал, известный как embedded capacitance material (ECM). Эти материалы обычно обладают тремя важными свойствами:

• Очень малая толщина слоя
• Очень высокое значение Dk
• Более высокое значение Df по сравнению с современными материалами FR4

Более высокое значение Df помогает демпфировать переходные процессы на высоких частотах, тогда как высокий Dk и малая толщина слоя обеспечивают очень большую ёмкость плоскостей вплоть до диапазона ГГц. За пределами этих частот начинает доминировать импеданс внутрипакетной PDN процессора, и именно он определяет power integrity, наблюдаемую на bumps кристалла.

• Узнайте больше об ECM в этой статье

Данные, показывающие снижение импеданса PDN при использовании более тонкого ECM в стеке печатной платы. Мы вполне ясно видим, что резонансное поведение вблизи 1 ГГц существенно уменьшается за счёт применения более тонкого материала ECM. [Источник: DuPont]

Миф 4: Три номинала конденсаторов

Наиболее распространённая рекомендация по выбору развязывающих/байпасных конденсаторов заключается в использовании трёх номиналов, разнесённых по декаде, то есть 10 мкФ, 1 мкФ и 100 нФ. Это может быть приемлемо для ASIC, но быстро перестаёт работать для крупных цифровых процессоров, которым требуется низкий импеданс PDN без резонансных пиков. Причина в том, что резонансы могут легко превысить целевое значение импеданса, что приводит к сильным переходным процессам на этих частотах и мешает подаче питания.

Изображение ниже из основополагающей статьи в Signal Integrity Journal, написанной Эриком Богатином, Стивом Сэндлером и Ларри Смитом, показывает, почему такой выбор конденсаторов может быть не оптимальным для крупных цифровых процессоров, которым требуется питание на высокой полосе частот.

Импеданс PDN при нескольких номиналах MLCC. [Источник: Signal Integrity Journal]

Хотя добавление большего числа конденсаторов снижает кривую импеданса PDN, может потребоваться чрезвычайно большое их количество, чтобы уменьшить пики импеданса PDN ниже целевого значения. Более эффективный подход — распределить номиналы конденсаторов шире, чем три значения из классических рекомендаций по проектированию. Это позволяет сгладить пики импеданса PDN, в результате чего для удержания кривой импеданса ниже целевого уровня потребуется меньшее общее число конденсаторов.

Миф 5: Конденсаторы всегда должны располагаться близко к выводам VDD/GND

Для небольших процессоров в квадратных корпусах и ASIC это утверждение действительно верно, особенно когда питание не подаётся через пару плоскостей питания/земли. Но в больших цифровых процессорах в корпусах BGA, которым требуются пары плоскостей питания и земли для подвода питания к выводам во внутренней области корпуса, невозможно разместить все конденсаторы близко к выводам питания и земли.

Когда в проекте с BGA используются пары плоскостей питания и земли, индуктивность пути через плоскость намного ниже, чем индуктивность любого соединения, выполненного дорожками и переходными отверстиями. Пара плоскостей питания/земли ведёт себя как распределённая низкоиндуктивная структура, обычно в диапазоне от 0,1 до 0,5 нГн, тогда как комбинация короткой дорожки и переходного отверстия даёт 1–2 нГн, а более длинные трассы с несколькими переходными отверстиями могут достигать 5–10 нГн и более.

В таблице ниже приведены примерные значения индуктивности для разных типов соединений, чтобы показать, почему маршрутизация на основе плоскостей меняет ограничение по размещению.

Поскольку пара плоскостей поддерживает низкую индуктивность межсоединения независимо от бокового расстояния между развязывающим конденсатором и выводами процессора, конденсаторы, размещённые в нескольких миллиметрах от поля BGA, всё равно могут эффективно отдавать заряд во время переходных процессов. Определяющим ограничением является не близость как таковая, а индуктивность токового пути, и подвод питания через плоскости удерживает эту индуктивность значительно ниже того, чего можно добиться при соединениях, проложенных дорожками.

Независимо от того, нужно ли вам разрабатывать надёжную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор возможностей Altium для проектирования печатных плат и CAD-инструменты мирового класса. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования печатных плат и функции междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!