Основы PDN для разработчика печатных плат

Когда разработчики печатных плат слышат термин «PDN» или «Сеть распределения питания», это может вызвать ассоциации с диаграммами Боде, черной магией и другими загадочными, пугающими вещами. На самом деле, цель PDN так же проста, как и большинство аспектов проектирования печатных плат, влияющих на производительность PDN. В этой статье мы объясним различные аспекты большинства проектов PDN и то, как программное обеспечение для проектирования печатных плат может на них влиять.

ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ: ДОСТАТОЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК ДЛЯ ВСЕХ НАГРУЗОК

Основная цель Сети распределения питания очень проста - обеспечить достаточное напряжение и ток для каждой нагрузки, чтобы удовлетворить их требования к работе. Хотя общий дизайн PDN, включая регуляторы напряжения, декаплинг на кристалле, упаковку, монтаж компонентов и т.д., является очень сложной наукой, требующей специализированной подготовки и опыта, оптимизация печатной платы для производительности PDN менее сложна, поскольку разработчик печатной платы ограничен в том, что он может сделать. В этой статье мы сосредоточимся на том, что следует учитывать в компоновке печатной платы, чтобы обеспечить достаточное напряжение и ток для всех ваших нагрузок.

ТРЕБОВАНИЕ 1: ДОСТАТОЧНО МЕТАЛЛА МЕЖДУ ИСТОЧНИКАМИ И НАГРУЗКАМИ

Обеспечение достаточного количества металла (обычно меди) между каждым из источников и соответствующими нагрузками является наиболее критическим аспектом проектирования PDN. С другой стороны, за номинальную стоимость IPC-2152 предоставляет довольно простые рекомендации о том, как это сделать. Исходя из максимально ожидаемого тока и допустимого повышения температуры, спецификация указывает минимальную ширину для вашей силовой фигуры. К сожалению, дизайнер, использующий только IPC-2152, будет создавать свой программный комплекс для проектирования печатных плат, перестраховываясь, при этом не замечая проблем в своем проекте, что влечет за собой несколько ограничений, включая:

- Рекомендации по ширине IPC-2152 очень консервативны. Они представляют расчеты, использующие данные из худшего теплового сценария (двухслойная плата без соседней меди), и пользователи обычно делают самые консервативные предположения (например, минимально допустимое повышение температуры). Проекты, выполненные только с использованием IPC-2152, могут иметь гораздо большие силовые фигуры, чем необходимо.

- Рекомендации IPC-2152 по переходным отверстиям (виас) консервативны. Это особенно проблематично, поскольку виас для одного силового шины могут пронзать силовые фигуры выше и ниже, следовательно, количество и размеры виас должны быть оптимизированы. Проекты, выполненные только с использованием IPC-2152, могут иметь большие или более многочисленные силовые виас, чем необходимо.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Learn More

Консервативное использование медного залива

- IPC-2152 применяется только к самым простым конструкциям. Постоянная ширина от источника к нагрузке без каких-либо отверстий от переходных отверстий или сужений от компонентов и других форм. IPC-2152 не дает рекомендаций по устранению недостатков в конструкции силовых цепей.

- IPC-2152 не дает представления о размещении связанных силовых шин. Регуляторы напряжения часто имеют специфические требования к различным силовым цепям, от входа до выхода, возможно, включая обратную связь.

Дизайнерам нужны лучшие инструменты для оптимизации размера и формы их силовых (и заземляющих) шин, обычно называемых "PI-DC" или "Падение IR". Altium интегрировала эту возможность в свою среду проектирования с PDN Analyzer, чтобы сделать выполнение требований PDN максимально простым. Вместо опоры на IPC-2152, дизайнер может анализировать каждую силовую шину, чтобы увидеть, сколько металла подходит, включая аспекты, которые IPC-2152 не рассматривает, такие как:

- Расстояние между источником и нагрузками

- Допустимое падение напряжения между источником и нагрузками

- Допустимый ток через контакты разъемов

- Компенсация за перфорации или сужения в заземляющей плоскости от переходных отверстий, разъемов и т.д.

- Части силовых или заземляющих контуров, по которым не протекает ток, что делает их потенциальными кандидатами для возникновения проблем, таких как сбои из-за электромагнитных помех и чрезмерная перекрестная помеха

- Эффективность силовых и заземляющих контуров

PDN Analyzer позволяет конструктору быстро и легко достичь наиболее фундаментального аспекта проектирования PDN - оптимизации конструкции металла между источниками и нагрузками.

Проектирование с использованием медных полуостровов и островков в синем цвете

ТРЕБОВАНИЕ 2: РАЗМЕРЫ, ЗНАЧЕНИЯ, КОЛИЧЕСТВО И РАСПОЛОЖЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ

Следующий аспект проектирования под контролем редактора PCB - оптимизация конденсаторов. На первый взгляд это может показаться пугающим, поскольку это включает в себя характеристики, зависящие от частоты, которые гораздо менее интуитивно понятны, чем аспект PI-DC. К счастью, сложность ограничена количеством параметров, влияющих на эффективность конденсатора, которые может контролировать схемотехник PCB, включая:

- Выбор конденсатора (размеры, значения и количество)

- Расположение конденсаторов

- Стек слоев

Последние два - это аспекты, на которые кастомный конструктор PCB может оказать наибольшее влияние, и их оптимизация требует соблюдения конкретных рекомендаций, включая (Богатин, 2011):

- Распределение конденсаторов вокруг корпуса нагрузки

- Близкое расположение конденсаторов

- Размещение плоскостей питания и заземления рельса питания как можно ближе к поверхности платы

- Использование наименьшей возможной толщины диэлектрика между плоскостями питания и заземления

- Чередование полярности переходных отверстий конденсаторов, когда они находятся в непосредственной близости

Размещение конденсаторов вокруг корпуса нагрузки

Также доступны бесплатные инструменты, помогающие дизайнеру с оптимизацией конденсаторов, включая Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) и Altera (как их «инструмент PDN»).

ПРИМЕЧАНИЕ О СЛОЖНОСТИ ДИЗАЙНА

Существуют более сложные системы распределения питания, такие как контроллеры двигателей с дополнительными требованиями, например, индукторы, контуры обратной связи и т. д., которые мы здесь не рассматриваем. В этих случаях потребуются более сложные инструменты анализа и/или рекомендации, чем имеют доступ большинство дизайнеров печатных плат.

График плотности тока на сложной жестко-гибкой конструкции

ВСЕ?

Разработка системного решения PDN, соответствующего возможностям и требованиям каждого источника и нагрузки, является очень сложной наукой. Но PDN Analyzer позволяет программному обеспечению для проектирования печатных плат легко оптимизировать формы питания и заземления для использования минимального количества места и компонентов, одновременно повышая надежность дизайна.

Плотность тока на жестко-гибком дизайне