5 мифов о целостности питания: версия для AC

Если вы думали, что вокруг целостности сигнала и EMI существует множество мифов, то подождите, пока не столкнетесь с целостностью питания. В силовой электронике и проектировании печатных плат целостность питания бывает двух видов: вопросы DC power integrity мы уже обсуждали в другом материале блога, а теперь пришло время рассмотреть пять самых распространенных мифов об AC power integrity. Давайте сразу перейдем к делу!

Миф 1: Подойдет любой источник питания

Во многих обсуждениях целостности питания полностью игнорируется роль регулятора питания и предполагается, что он теоретически идеален. В реальности производители полупроводников выпускают компоненты для высокоскоростных цифровых систем вместе 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 снижает коммутационный шум на выходе. Я описывал этот важный момент в другой статье блога.

Однако для высокоскоростных цифровых проектов второй пункт важнее, поскольку именно 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. В совокупности эти факторы гарантируют, что регулятор и структура PDN (с ее дискретными конденсаторами и емкостью полигонов) смогут подавлять пульсации на шине питания, когда начинают переключаться быстрые цифровые входы/выходы.

Миф 2: Одного слоя питания достаточно

В некоторых проектах действительно можно обойтись одним слоем питания, даже если он разделен на несколько шин. Для небольших цифровых процессоров, которые могут иметь менее 1000 шариков в корпусе BGA, все равно потребуется несколько напряжений питания. Однако слой питания можно сегментировать на крупные шины, чтобы подать всю необходимую мощность на процессор. Ниже показан пример возможного количества и разнообразия шин питания на одном слое, питающем большой BGA.

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

По мере роста размеров процессоров и необходимости поддерживать большее количество I/O на более высоких скоростях может потребоваться несколько слоев плоскостей питания, и каждый из них должен иметь собственную плоскость земли. Это необходимо для обеспечения достаточной межплоскостной емкости, чтобы удерживать импеданс PDN ниже подходевого целевого уровня. Для крупных цифровых процессоров нормой являются значения импеданса PDN ниже 1 мОм в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц. Примеры таких процессоров — крупные CPU и большие FPGA с более чем 1000 выводов.

Миф 3: Диэлектрики с низким Dk полезны для целостности питания

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 благоприятны для целостности сигнала в каналах с высокой пропускной способностью. Однако диэлектрики с низким Dk не всегда являются лучшим выбором для целостности питания.

Дело не в том, что материалы с низким Dk «плохи» для целостности питания, 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 межплоскостную емкость при той же толщине. Именно поэтому в некоторых случаях в стек слоев включают специальный материал, известный как embedded capacitance material (ECM). Такие материалы обычно обладают тремя важными свойствами:

• Очень малая толщина слоя
• Очень высокое значение Dk
• Более высокое значение Df, чем у современных материалов FR4

Более высокое значение Df помогает демпфировать переходные процессы на высоких частотах, а высокое значение Dk и малая толщина слоя способствуют получению очень большой межплоскостной емкости, распространяющейся вплоть до диапазона ГГц. На частотах выше этих значений определяющим становится импеданс PDN внутри корпуса процессора, и именно он будет задавать целостность питания, наблюдаемую на bumps кристалла.

• Подробнее об ECM читайте в этой статье

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

Миф 4: Три номинала конденсаторов

Наиболее распространенная рекомендация по выбору развязывающих/байпасных конденсаторов заключается в использовании трех номиналов, разнесенных на порядок, то есть 10 µF, 1 µF и 100 nF. Это может быть приемлемо для ASIC, но быстро перестает работать в случае 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.

Приведенное ниже изображение из классической статьи в Signal Integrity Journal Эрика Богатина, Стива Сандлера и Ларри Смита иллюстрирует, почему такой выбор конденсаторов может быть не оптимален для крупных цифровых процессоров, которым требуется питание в широкой 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 опустить 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 значения потребуется меньшее общее количество конденсаторов.

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

Для небольших процессоров в корпусах quad и ASIC это утверждение действительно верно, особенно когда питание не подается через пару плоскостей питания/земли. Но в более крупных цифровых процессорах в корпусах BGA, которым для подвода питания к выводам во внутренней области корпуса требуются пары плоскостей питания и земли, разместить все конденсаторы рядом с выводами питания и земли невозможно.

Когда в проекте с BGA используются пары плоскостей питания и земли, индуктивность пути через плоскость оказывается намного ниже, чем индуктивность любого соединения, выполненного дорожками и переходными отверстиями. Пара плоскостей питания/земли ведет себя как распределенная низкоиндуктивная структура, обычно в диапазоне от 0,1 до 0,5 нГн, тогда как комбинация короткой дорожки и переходного отверстия вносит 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 через плоскости меняет ограничения на размещение.

Поскольку пара плоскостей поддерживает низкую индуктивность межсоединения независимо от бокового расстояния между развязывающим конденсатором и выводами процессора, конденсаторы, размещенные в нескольких миллиметрах от области BGA, все равно могут эффективно отдавать заряд во время переходных процессов. Определяющим ограничением является не близость сама по себе, а индуктивность токового пути, и подача питания через плоскости позволяет удерживать эту индуктивность значительно ниже того уровня, который достижим при соединениях, проложенных дорожками.

Независимо от того, нужно ли вам создавать надежную силовую электронику или современные цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат Altium и CAD-инструменты мирового класса. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования печатных плат и возможности междисциплинарной совместной работы для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!