Полное руководство по обеспечению целостности питания печатных плат от платы до корпуса

Каким бы скучным делом это ни казалось, подача питания на печатные платы и в системы со сложной компоновкой остается одной из главных проблем, стоящих перед разработчиками, особенно в сфере разработки ЦОД, периферийных вычислительных систем, мобильных и сетевых устройств. В этих средах большие объемы данных передаются по каналам с очень высокой скоростью, и даже при самом пристальном внимании, которое уделяется целостности сигнала, ни одна из этих систем не будет работать без стабильного питания.

Целостность питания обеспечивается на уровне компонентов и на уровне печатных плат, причем, как уже упоминалось в этом блоге, проблемы целостности питания могут создавать проблемы целостности сигнала (дрожание, недостаточно низкий импеданс цепи питания/заземления, электромагнитные помехи). Большинство упрощенных руководств по обеспечению целостности питания фокусируют внимание только на уровне печатной платы, однако плата и пакет должны обеспечивать стабильное питание межсоединений общими усилиями.

В этом руководстве предпринята попытка дать комплексный концептуальный анализ проблемы целостности питания для разработчиков печатных плат. Хотя разработчики, как правило не контролируют сборочные узлы, они могут приложить усилия, чтобы обеспечить совместную работу корпусов печатных плат и компонентов для стабильного питания. Я опишу ряд основных подходов к обеспечению целостности питания в этих областях, от проектирования структуры слоев до выбора оптимального конденсатора.

От чего зависит целостность питания печатной платы?

Концепция целостности питания применима как к переменному, так и к постоянному току. Когда ток постоянный, необходимо правильно подобрать типоразмер медных шин, чтобы обеспечить низкое падение напряжения. Если при проектировании печатной платы не учтен аспект целостности питания, напряжение на шине питания может выглядеть так, как показано на иллюстрации ниже. На фазе коммутации входов/выходов импульсы тока, получаемые из цепи питания печатной платы, возбуждают переходные процессы на шине питания. Пример с многократной коммутацией логических цепей показан ниже.

Чаще всего это происходит на высокоскоростных компонентах с очень быстрой коммутацией. Большее количество одновременных коммутаций входов/выходов повышает требования к мощности, в связи с чем на шинах питания может возникать больше шума. Если увеличить масштаб одного из этих переходных откликов, видно, что переходный процесс затухает с несколькими константами времени. Основной является длинная низкочастотная константа времени, создающая наибольший объем шумов на шине питания.

В целом, когда время нарастания сигнала для данной структуры цепи питания короче, генерируемая рябь может давать больший выброс или множественные константы времени, связанные со слабозатухающими колебаниями более высокой частоты. Эти колебания нежелательны по двум причинам:

1. Они отображаются как шум (временной и на уровне сигнала) на выходных сигналах, что может приводить к неправильной интерпретации логических уровней
2. Они создают излучаемые электромагнитные помехи, которые можно измерить со стороны платы, как правило от края

По обеим причинам проектировщики должны принять меры, чтобы гарантировать максимальную стабильность выходного напряжения постоянного тока от регуляторов.

Импеданс, индуктивность и емкость цепи питания

Импеданс цепи питания на печатной плате будет основным фактором, определяющим целостность питания. Регуляторы также играют определенную роль через петли обратной связи (об этом речь пойдет ниже), однако за импеданс цепи питания отвечает именно проектировщик печатной платы. Цель состоит в том, чтобы обеспечить наименьший достижимый импеданс цепи питания, как правило, на уровне ниже 100 мОм.

Импеданс цепи питания определяется наличием нескольких элементов, обобщенное описание которых приводится в таблице ниже.

В совокупности эти элементы будут определять спектр значений импеданса цепи питания. Элементы, влияющие на цепь питания, показаны на иллюстрации ниже. Их влияние грубо обозначено частотным диапазоном. Показанный здесь спектр значений импеданса составлен из большого количества конденсаторов, что характерно для цифровых процессоров с большим количеством входов/выходов, работающих на высоких скоростях.

Топология цепи питания

Все цепи питания, питающие современные процессоры, являются многопортовыми. Им требуется несколько величин регулируемого напряжения, от высоких значений до низких логических уровней. Обычно это напряжения в диапазоне от высоких логических уровней (5V0 или 3V3) до низких 0V8 на процессорах с большим количеством выводов.

Пример древа мощности, описывающий цепь питания высокотехнологичного процессора, показан ниже. Он демонстрирует, как можно выстроить разные шины, идущие от основного источника питания или регулятора, питающего всю систему.

Приведенный выше пример не предназначен для обобщенной характеристики всех цифровых компонентов, а призван показать, что многие компоненты будут иметь несколько шин. Цифровой процессор с вышеописанной топологией питания может относиться к любому типу компонента (например, большая программируемая логическая интегральная схема, сетевой процессор, микропроцессорное устройство, крупный основной блок управления, графический или иной специализированный процессор). Входы и выходы процессора получают питание от шин питания, поэтому именно на этих шинах в цепи питания могут возникать существенные шумы, сопровождающие переходные процессы.

Приведенная выше топология указывает на необходимость соблюдать два требования к проектированию. Речь идет об изоляции между шинами, в частности между двумя шинами, питающимися от одного регулятора, чтобы не происходил взаимный перенос шума. Также каждая шина должна иметь собственное низкое значение импеданса, чтобы обеспечить низкий уровень шума.

Структура слоев и материалы печатных плат

С позиций целостности питания выбор материалов для структуры слоев печатной платы играет важную роль в формировании емкости, необходимой для стабильной подачи питания. В дополнение к этому при компоновке слоев необходимо предусмотреть размещение шин питания рядом с плоскостями заземления на тонких слоях. Это поможет гарантировать, что структура слоев обеспечит достаточную емкость для сигналов в диапазонах частот примерно до 1 ГГц.

Когда в слое плоскости недостаточно доступной емкости и работа дискретных конденсаторов ограничивается паразитными явлениями, требуемая емкость может быть обеспечена встроенным емкостным материалом (ECM). Это тончайшие пленки (в том числе толщиной менее 1 мил) с высокими значениями диэлектрической проницаемости (Dk), достигающими 30. Эти материалы также могут иметь очень высокие потери, которые будут поглощать электромагнитные помехи, распространяющиеся по подложке печатной платы, тем самым уменьшая электромагнитные помехи, излучаемые от края платы.

Эти материалы влияют на импеданс цепи питания в четырех аспектах.

• Обеспечивают более высокую емкость и, следовательно, более низкий импеданс на частотах среднего диапазона (до 1 ГГц)
• Перемещают резонансы в цепи питания, связанные с парами плоскостей питания/заземления, на более низкие частоты
• Гасят резонансные пики в цепи питания в диапазоне ГГц, связанные с парами плоскостей питания/заземления
• Переносят впадину кривой импеданса цепи питания (от 0,1 до 1 ГГц), связанную с емкостью плоскости, на более низкие частоты

Влияние этих материалов показано на графике ниже. По мере уменьшения толщины диэлектрика резонансные пики в цепи питания затухают и перемещаются на более низкие частоты. Аналогичные результаты наблюдаются, если увеличить диэлектрические потери в материале.

• Подробности о встроенных емкостных материалах

Паразитные явления в корпусе

В корпусах компонентов присутствуют собственные паразитные явления, связанные с их структурой; также корпуса компонентов имеют собственный импеданс цепи питания. Импеданс корпуса объединяется с импедансом печатной платы. Их совместное влияние будет определять величину шума на входе питания в логических схемах на полупроводниковом кристалле. В современных процессорах предусмотрены корпусные конденсаторы, помогающие гасить переходные возбуждения и расширяющие полезные диапазоны частот сигнала в спектре ГГц.

• Подробнее о паразитных явлениях в корпусах и их влиянии на целостность питания

Вне печатной платы и сборочного узла

Мы рассмотрели все аспекты, касающиеся печатных плат и корпусов, включая ряд сложнейших конструктивных особенностей и моделей для современных сборочных узлов. Разработчику печатной платы подконтрольны макет, структура слоев, размещение и маршрутизация, а также у него есть определенный контроль над корпусом. В разрезе стратегий регулирования мощности мы не затронули две важные темы: 

• Модули регулятора напряжения (VRM) для крупных высокоскоростных процессоров
• Имитационное моделирование при построении схем и создании макетов печатных плат

Модули VRM

С учетом структуры цепи питания и потребности многих высокотехнологичных компонентов в наличии нескольких шин питания необходимы несколько модулей регулятора со взаимно параллельной разводкой. Задача фиксированного регулятора мощности состоит в компенсации падения напряжения и поддержании целевого выходного напряжения через петлю обратной связи (вывод обратной связи на большинстве регуляторов). Петля обратной связи должна реагировать достаточно быстро и модулировать выход, пытаясь стабилизировать выходное напряжение.

Факторы, способствующие ответной реакции петли обратной связи регулятора, присутствуют на уровне макета и компонента. Я обсуждал ряд этих моментов со Стивом Сэндлером в недавнем эпизоде подкаста OnTrack.

VRM и компоновка будут рассмотрены в другом разделе этого сайта. Помимо проектирования VRM и построения макетов, проектировщики должны сосредоточить внимание на грамотном выборе структуры слоев, конденсаторов и материалов, чтобы обеспечить достаточно низкий импеданс цепи питания в пределах рабочей полосы частот. Как обсуждалось выше, компоновка и размещение также будут влиять на целостность питания через возникновение паразитных явлений.

Моделирование

Моделирование можно выполнять при переменном или постоянном токе, на схемах или готовых макетах печатных плат. Для высокоскоростных печатных плат, работающих на частотах вплоть до гигагерцовых, важнейшее значение имеет моделирование целостности питания переменным током, поскольку оно способно выявить рябь на шине питания в начале коммутации входов/выходов.

Моделирование питания переменным током на схемах выполняется на основе программы SPICE для анализа стабильности сети конденсаторов, служащей для разъединения/обхода. Эти модели позволяют оценить ответную реакцию шины питания, а также определить, будет ли емкость, включенная в цепь питания, достаточной. Также оценивается изоляция между шинами питания, питающимися от одного регулятора/VRM, для определения которой можно применить оценку переходного импеданса.

Узнать больше о моделировании цепей питания на схемах, включая использование ферритов, можно из материалов, перечисленных ниже.

Моделирование питания переменным током также можно выполнять на макетах печатных плат. Однако в этом случае потребуется анализатор электромагнитного поля для прогнозирования поведения сигнала в пространстве и времени с учетом структуры цепи питания на печатной плате. Эти модели интенсивно потребляют вычислительные ресурсы и требуют специализированного ПО.

Хотя моделирование питания переменным током играет важную роль в современных продуктах, моделирование питания постоянным током по-прежнему важно для проектирования высокоскоростных печатных плат. Большое количество входов/выходов с коммутацией на основном процессоре в этих печатных платах может создавать нагрузку по току в несколько ампер. На очень больших высокоскоростных платах, обслуживающих множество периферийных устройств, например на соединительных платах, приходится поддерживать ток порядка ~100 А во всей системе, включая шины питания, питающие входы/выходы на скоростных процессорах. Поэтому важно выявлять и устранять экстремальные токи в шинах питания.

• Узнать больше о моделировании цепей питания постоянного тока с применением анализатора мощности Keysight

Инструменты САПР в Altium Designer® дают каждому пользователю и инженеру возможность контролировать стратегию целостности питания и энергопотребления. Altium Designer — ведущая отраслевая платформа САПР, обеспечивающая интеграцию с передовыми приложениями для обеспечения целостности сигналов и питания, моделирования электромагнитных помех и сочетаемости. Когда проектирование будет завершено, а данные готовы для передачи на производство, платформа Altium 365™ поможет наладить совместную работу и доступ к проектам.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .