Игра в мощность — Успешное проектирование систем электропитания

В индустрии элементом проектирования, который продолжает вызывать наибольшее количество проблем, является система питания (PDS). И, как консалтинговая компания, на протяжении последних нескольких лет большинство проблем, с которыми нас вызывали решать, всегда были связаны с проблемами PDS. Как было отмечено в моем предыдущем блоге о защитных следах и их неэффективности, каждый раз, когда нас вызывали для решения проблемы электромагнитных помех (EMI), мы всегда заканчивали исправлением PDS.

В этой статье будет обсуждаться эволюция проблем проектирования PDS, как они возникли и методы, используемые для их устранения. Вторая часть этой статьи посвящена проектированию PDS для реализаций с ультранизким потреблением энергии.

Немного истории и много проблем

Для начала, немного основ: все PDS имеют как индуктивность (выражается как Lp), так и сопротивление (выражается как Rp) последовательно с местом, где течет питание. При низких токах сопротивление вас не беспокоит. При низких частотах - индуктивность тоже нет. Как только вы начинаете увеличивать частоту, индуктивность становится основным источником деградации.

Итак, давайте немного отступим назад, чтобы увидеть, когда такие вещи, как индуктивность и сопротивление, стали вызывать беспокойство. Что наиболее важно, мы можем увидеть, где в игру вступила "черная магия" проектирования PDS.

Когда мы начали использовать двухсторонние платы, время нарастания сигналов на них иногда составляло десятки наносекунд. Содержание частот было действительно низким и, как результат, дорожки на платах не вызывали проблем. Вся мощность подавалась по дорожкам, а не по плоскостям. Можно было поставить конденсатор через путь маршрута каждой ИС, между +5 и землей на каждой ИС, и этого было достаточно. Затем на сцену вышла технология ECL (логика с эмиттерной связью).

Технология ECL никогда не могла работать без плоскостей на платах, потому что время нарастания было меньше наносекунды. Вот где использование дорожек для распределения мощности стало неприемлемым. Из-за быстрого времени нарастания просто нельзя было подключить питание по дорожкам. Индуктивность была слишком велика. Так что с самого начала технологии ECL всегда была пара плоскостей питания. Инженеры, использующие технологию ECL в своих проектах, понимали это и использовали плоскости питания.

Теперь давайте перейдем к TTL (логика на транзисторах). С базовым TTL можно было прокладывать питание с помощью дорожек. Затем появился ASTTL (Advanced Schottky TTL), который был так же быстр, как ECL, но инженеры, разрабатывающие продукты на его основе, пытались использовать те же методы, что и с медленным TTL, и схемы получались нестабильными. В результате возникало страшное ЭМП (электромагнитное помехи). Люди пытались использовать конденсаторы на .1 и .01 микрофарад, и это не работало. И вот тогда начали появляться все эти правила "черной магии".

Практически не было инженеров по ЭМП в общественном доступе, и поскольку инженеры, работающие с TTL, не понимали такие вещи, как линии передачи, подача питания и маршрутизация быстрых сигналов, они попадали в настоящую передрягу. Продукт мог не пройти тест на ЭМП, и конструктор спрашивал у проводящего тест, что с этим делать, а инженер по тестированию (который не понимал дизайн PDS) мог привести пример того, что кто-то другой сделал для улучшения ситуации, и это записывалось в список, который передавался по кругу. Эти списки стали истоком правил "черной магии".

Роль конденсаторов в дизайне PDS и за его пределами

Одним из результатов правил "черной магии" было то, что когда приходило время проектировать PDS, люди склонны были устанавливать на свои платы множество конденсаторов в попытке исправить проблемы PDS, не понимая, как эти конденсаторы действительно работают или не работают. Отсюда и появилось понятие разделительных конденсаторов. На самом деле, эти конденсаторы на самом деле ничего не разделяют. Вместо этого они обеспечивают локальный источник заряда для поддержки коммутационного события.

Их лучше называть "кулоновскими ведрами", поскольку они хранят кулоны заряда, используемые для поддержки коммутационных событий. (Кулон - это единица электрического заряда в Международной системе единиц. Это заряд, переносимый постоянным током в один ампер за одну секунду). Если используемые конденсаторы не подходят по размеру или не работают на задействованных частотах, результатом является пульсация на Vdd. (Vdd - это вывод источника питания, который подключается к стоковому концу транзистора MOS или CMOS или ИС. Обычно это самый положительный провод источника питания). Подробное обсуждение этой темы представлено в статье Ли Ричи для ресурса Altium, "Победа в проектировании системы питания", опубликованной 17 января 2019 года).

В 1995 году факультет EMC Университета Миссури, Ролла (ныне Университет науки и технологий Миссури) продемонстрировал, что классическое использование конденсаторов для шунтирования PDS не было эффективным в решении проблем с EMI (см. Ссылку 2). (Высокое сопротивление означает высокие пульсации и потенциальные проблемы с EMI.) На рисунке 1 показаны три кривые зависимости импеданса от частоты, полученные в результате этого исследования.

Рисунок 1. Импеданс PDS в зависимости от частоты по данным работы UMR

Рисунок 1. Импеданс PDS в зависимости от частоты по данным работы UMR

Диаграмма предоставлена IEEE и Тоддом Хьюбингом

В сущности, конденсаторы на .1 и .01 микрофарад улучшали работу системы питания (снижали её импеданс) примерно до 70МГц. Начиная с 70МГц, они ухудшают импеданс, а затем в конечном итоге становятся совершенно бесполезными. В частности, это паразитная индуктивность в серии с конденсаторами делает их непригодными после определённой частоты. Что показало это исследование, так это то, что единственный способ контролировать импеданс на высоких частотах (выше 100МГц) - использовать плоскую ёмкость. Количество необходимой ёмкости можно определить, выяснив количество линий передачи, которые нужно запитать одновременно. При коммутации линий передачи заряд передаётся от источника питания к линии передачи. Исходя из этого, можно определить, насколько велик должен быть устройство хранения заряда (или кулоновский бак).

Итак, для стабильной работы и отсутствия ЭМП необходима действительно надежная система распределения питания (PDS). В данном случае под надежностью подразумевается подача тока на очень высоких частотах (выше 100 МГц), что возможно только за счет емкости плоскостей. Очевидный способ создать емкость плоскостей на печатной плате - добавить два слоя плоскостей именно для этой цели. Эти слои плоскостей могут быть из специального материала, такого как ZBC от Sanmina, или других материалов, разработанных для этой цели. В качестве альтернативы, когда на печатной плате имеется несколько плоскостей, их можно расположить таким образом, чтобы пары плоскостей находились друг напротив друга через слой ламината или препрега. Любой из этих методов позволяет достичь желаемого результата. Преимущество размещения слоев плоскостей рядом друг с другом по сравнению с использованием специального материала, такого как ZBC, заключается в том, что использование специального материала не приводит к увеличению стоимости печатной платы.

Но что делать, если у вас маленькие платы, такие как четырехслойные платы в Xbox, где недостаточно места на плате для создания плоскостной емкости? Единственным решением является перемещение высококачественной емкости на корпус ИС и сам кристалл. На протяжении десятилетий компании, такие как AMD и Intel, встраивали емкость в свои компоненты, поскольку большинство их деталей устанавливалось на четырехслойные платы. Но до семи или восьми лет назад производители FPGA не встраивали емкость в свои компоненты. Это привело к тому, что было построено множество плат, которые вышли из строя. В некоторых случаях компаниям приходилось полностью перерабатывать свои продукты, что приводило к упущенным возможностям выхода на рынок и высоким затратам на разработку. В других случаях те компании, которые не могли позволить себе переработку или вообще пропустили окна выхода на рынок, просто прекращали свое существование. К счастью, теперь все крупные производители FPGA «поняли это» и встроили емкость в свои компоненты.

Следующей большой задачей стали все ИС, которые имеют миллиард транзисторов и требуют 100 ампер при 0,9 вольта. Таким образом, задача заключалась в том, чтобы обеспечить очень высокие токи при очень низких напряжениях, где нет большого допуска на падение напряжения. Это означает, что потребность в решении проблемы сопротивления снова вышла на первый план. Это было достигнуто за счет уменьшения количества слоев сигналов в стеке и замены их дополнительными земляными слоями. Например, в 22-слойной плате, созданной для продукта мониторинга высокоскоростной сети, средние четыре слоя стали одноунциевыми плоскостями Vdd и земли, размещенными параллельно.

Но теперь даже изменение стека уже недостаточно. Помимо рассмотрения конечного напряжения на выходе блока питания, возникает необходимость компенсировать падение напряжения, которое происходит после этого. Для этих очень высоких токов существуют две линии обратной связи, которые являются частью петли обратной связи. Одна линия идет к земляному контакту, а другая - к контакту Vdd. Эти линии обратной связи не подключены на выходе блока питания. Вместо этого они проводятся через пару специальных контактов на

Vdd и земля внутри корпуса ИС таким образом, чтобы напряжение ощущалось на кремнии, а не на плате. Тот, кто разрабатывает ИС, должен предоставить один вывод, который изолирован от плоскостей Vdd и земли в корпусе. Один из производителей называет их "смотровыми отверстиями", потому что они позволяют вам зайти и измерить, что происходит на кристалле.

Сегодня не редкость иметь два или три миллиарда транзисторов на чипе. Теперь цель не в том, чтобы уместить на чипе больше транзисторов, а в том, чтобы сделать их быстрее. Это технология FinFET, где MOSFET строится на подложке, где затвор размещается с двух, трех или четырех сторон канала или оборачивается вокруг канала, формируя структуру с двойным затвором. В этой архитектуре у вас очень узкие затворы 14 нм, и канал стоит на двух сторонах. Вот как производители чипов достигают этих очень маленьких размеров. Это также причина, по которой напряжение должно падать, потому что толщины оксидов таковы, что они не могут выдерживать очень высокие напряжения, и происходит пробой между истоком и стоком. Это технология, которая обеспечивает скорость 56 Гбит/с — множество транзисторов в очень малых размерах с очень тонкими слоями оксида. Все дело в производительности и ускорении переключений.

Резюме

На протяжении истории разработки PDS мы перешли от отсутствия необходимости заботиться о сопротивлении или индуктивности к необходимости учитывать сначала сопротивление, затем индуктивность, и теперь снова сопротивление. Подход с использованием контакта непосредственно на чипе решает проблему сопротивления, и производители чипов предоставляют такие решения уже семь или восемь лет. Они знают, что должны брать на себя проблемы PDS внутри пакета. Тем не менее, как и в большинстве аспектов нашей технологии, хорошая идея попросить поставщиков ИС предоставить демонстрационную плату, которая показывает, как ИС работает так, как вам это нужно, прежде чем внедрять кремний в вашу плату.

Ссылка

1. Ричи, Ли В. и Засио, Джон Дж., "С первого раза правильно, Практическое руководство по высокоскоростному дизайну ПП и систем, Тома 1 и 2." 2. Хубинг, Тодд и др., "Структуры питания ПП: Теория и дизайн", Университет Миссури, Ролла, ноябрь 1999 г.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим дизайном печатной платы? Обратитесь к эксперту Altium.