Измерение импеданса PDN для проектирования подсистемы питания

Когда речь идет о сегодняшних сложных многослойных, высокоскоростных конструкциях печатных плат, одним из наиболее критических аспектов процесса разработки продукта является проектирование подсистемы питания. Для этой части проекта цель состоит в том, чтобы сделать импеданс PDN как можно ниже (несколько миллиом) в широком диапазоне частот. При определении того, что импеданс PDN подсистемы питания адекватно соответствует параметрам производительности окончательной печатной платы, в процессе тестирования рассматриваются конкретные элементы:

• Создание тестовых точек доступа на печатной плате, используемых для измерения импеданса PDN.
• Создание тестовой установки импеданса PDN в зависимости от частоты.
• Создание специальных тестовых пробников.

В этой статье будут описаны эти элементы и то, как они обеспечивают, что процесс тестирования импеданса подсистемы питания будет отражать фактическую производительность конечного продукта.

Проблема измерения импеданса PDN

Основная дилемма, связанная с процессом измерения импеданса PDN (и другими измерениями целостности питания), заключается в том, что разработчики продуктов не всегда знают требуемую полосу пропускания сигнала для ИС на печатной плате. В результате этот импеданс должен быть сделан низким от постоянного тока до десятков ГГц. Это достигается за счет создания печатной платы с многослойной структурой, соответствующей структуре для вашего предполагаемого дизайна. В него также должны быть включены конденсаторы, которые вы намерены использовать в вашей PDN, установленные в предполагаемых местах. Затем вам нужно измерить импеданс в зависимости от частоты для всей платы.

Рисунок 1 иллюстрирует, как спроектировать точки доступа, используемые для измерения импеданса источника питания и обходных конденсаторов. 

Этот тест проверяет, правильно ли подобрано количество развязывающих конденсаторов для каждой силовой плоскости или для каждого напряжения питания, если на одной плате используется несколько источников питания. Для каждого входа питания или силовой плоскости требуются две такие точки доступа. Эти две конструкции должны быть размещены как минимум на расстоянии одного дюйма друг от друга и затем помечены напряжением, к которому они подключены. Первая точка позволяет подавать сигнал на конденсатор плоскости, в то время как вторая позволяет измерять результирующее напряжение. Эти точки доступа разработаны таким образом, что они позволяют использовать специальные зонды с низкой индуктивностью (подробнее об этих зондах ниже) для соединения платы с анализатором спектра, который будет использоваться для проведения фактических тестов. Наклейки на Рисунке 2 показывают точки доступа для тестовых зондов на примере печатной платы.

Для сбора измерений Z против F (импеданс PDN против частоты) используется анализатор спектра с генератором сигналов с трекингом, как показано на Рисунке 3.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Learn More

Выход с генератора сигналов с трекингом используется для введения постоянного тока, упомянутого выше. Данные, отображаемые на экране анализатора спектра, настроены на отображение в вольтах и пропорциональны импедансу PDN.

Упомянутые выше тестовые щупы с ультранизкой индуктивностью и ультранизким сопротивлением показаны на Рисунке 4. Они изготовлены из короткого куска полужесткого коаксиального кабеля SR 141 с мужским SMA-разъемом на одном конце и коротким куском жесткой проволоки (работают швейные иглы) на другом. 

После получения данных от анализатора спектра инженер, проводящий испытание, использует введенный ток для преобразования измеренного напряжения в сопротивление. Исходя из результатов этих данных, можно определить достигнуты ли цели по сопротивлению в дизайне подсистемы питания.

Оговорка

Если на плате нет тестовых точек, подобных показанным на Рисунке 1, потребуется припаять коаксиальные кабели к местам, которые соприкасаются с двумя измеряемыми плоскостями. Лучший способ сделать это - удалить два конденсатора 0603 и припаять коаксиальные кабели, как показано на Рисунке 5. 

При пайке выводов к печатной плате, как показано на этом рисунке, удобно иметь быстрый способ отключения кабелей от анализатора. Самый простой способ сделать это - использовать BNC-разъемы, подобные тем, что показаны на рисунке 3. Рисунок 6 демонстрирует SMA-адаптеры, соединяющиеся с испытательными кабелями, на которых установлены зонды. Для точного измерения импеданса в зависимости от частоты соединения должны быть достаточно далеко друг от друга, чтобы два пути не создавали взаимную индуктивность.

Итог

Теперь, когда дифференциальная передача сигналов стала такой простой, самым сложным аспектом текущих проектов является правильная организация системы питания. Одна из плат, для которой мы недавно предоставляли консультационные услуги, имела более 200 дифференциальных связей с пропускной способностью 28 Гбит/с. Нам потребовался около дня, чтобы разобраться, как управлять всеми этими связями. Тот же проект имел 29 различных линий напряжения; вычисление текущего спроса в каждой линии, дельта(i), и пульсации заняло почти месяц.

С помощью планировщика стека и инструментов трассировки в Altium Designer^® вы можете точно проектировать высокоскоростные печатные платы и размещать тестовые структуры для сбора измерений импеданса PDN. Среда проектирования, управляемая правилами, помогает ускорить высокоскоростное размещение и трассировку, а интегрированные инструменты моделирования помогают гарантировать, что ваша конструкция остается в пределах технических характеристик.

Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше или узнать больше о продвинутых функциях трассировки и проверки правил проектирования в Altium Designer^®.

Ссылки

1. Ричи, Ли В., и Засио, Джон Дж., "С первого раза правильно, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем", Том 2.
2. Ричи, Ли В., Слайды курса, "2-дневный курс по интегральной схемотехнике и проектированию высокоскоростных систем", учебный класс.