Đo Lường Trở Kháng PDN Cho Thiết Kế Hệ Thống Nguồn

Khi nói đến các thiết kế PCB tốc độ cao, đa lớp phức tạp của ngày nay, một trong những khía cạnh quan trọng nhất của quá trình phát triển sản phẩm tập trung vào thiết kế hệ thống nguồn. Đối với phần thiết kế đó, mục tiêu là làm cho trở kháng PDN càng thấp càng tốt (vài milliOhm) trên một phạm vi tần số rộng. Trong khi xác định rằng trở kháng PDN của hệ thống nguồn đáp ứng đủ các thông số hiệu suất của PCB cuối cùng, có những yếu tố cụ thể được giải quyết trong quá trình kiểm tra:

• Tạo các điểm kiểm tra truy cập trên PCB được sử dụng cho việc đo trở kháng PDN.
• Tạo bộ thiết lập kiểm tra trở kháng PDN so với tần số.
• Tạo các đầu dò kiểm tra được làm riêng.

Bài viết này sẽ mô tả các yếu tố này và cách chúng đảm bảo rằng quá trình kiểm tra trở kháng hệ thống nguồn sẽ phản ánh hiệu suất thực tế của sản phẩm cuối cùng.

Thách thức Đo Trở Kháng PDN

Vấn đề chính xung quanh quá trình đo trở kháng PDN (và các phép đo tính toàn vẹn nguồn khác) là các nhà phát triển sản phẩm không luôn biết băng thông tín hiệu mà IC trên PCB sẽ yêu cầu. Kết quả là, trở kháng đó phải được giữ thấp từ DC cho đến hàng chục GHz. Điều này được thực hiện bằng cách xây dựng một PCB với cấu trúc xếp chồng phù hợp với cấu trúc dành cho thiết kế dự định của bạn. Nó cũng nên bao gồm các tụ điện bạn dự định sử dụng trong PDN của mình đặt tại vị trí dự định. Sau đó, bạn cần đo trở kháng so với tần số cho toàn bảng mạch.

Hình 1 minh họa cách thiết kế các điểm truy cập được sử dụng để đo trở kháng của nguồn điện và các tụ điện bypass. 

Bài kiểm tra này xác minh rằng số lượng tụ bù trên mỗi mặt phẳng nguồn, hoặc cho mỗi điện áp nguồn cung cấp nếu sử dụng nhiều nguồn cung cấp trên cùng một bảng mạch. Hai điểm truy cập này được yêu cầu cho mỗi nguồn cung cấp đầu vào hoặc mặt phẳng nguồn. Hai cấu trúc này nên được đặt cách nhau ít nhất một inch và sau đó được ghi nhãn với điện áp mà chúng kết nối. Điểm đầu tiên cho phép một tín hiệu được tiêm vào tụ mặt phẳng trong khi điểm thứ hai cho phép đo điện áp kết quả. Các điểm truy cập này được thiết kế sao cho chúng sẽ cho phép sử dụng các loại đầu dò đặc biệt có độ tự cảm thấp (thêm thông tin về các loại đầu dò này bên dưới) để tạo kết nối từ bảng mạch đến máy phân tích phổ, sẽ được sử dụng để thực hiện các bài kiểm tra thực tế. Các nhãn dán trong Hình 2 hiển thị các điểm truy cập cho đầu dò kiểm tra trên một ví dụ về PCB.

Một máy phân tích phổ với một bộ tạo tín hiệu theo dõi được sử dụng để thu thập đo lường Z so với F (trở kháng PDN so với tần số), như được hiển thị trong Hình 3.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Learn More

Đầu ra từ bộ tạo tín hiệu theo dõi được sử dụng để tiêm dòng điện không đổi được ghi nhận ở trên. Dữ liệu hiển thị trên màn hình của máy phân tích phổ được thiết lập để hiển thị bằng volt, và nó tỷ lệ với trở kháng PDN.

Các đầu dò kiểm tra có độ tự cảm cực thấp, trở kháng cực thấp được đề cập trước đây được hiển thị trong Hình 4. Chúng được chế tạo từ một đoạn ngắn cáp đồng trục bán cứng SR 141 với một đầu nối SMA đực ở một đầu và một đoạn dây cứng ngắn (kim may) ở đầu kia. 

Sau khi dữ liệu được thu thập từ máy phân tích phổ, kỹ sư thực hiện thử nghiệm sử dụng dòng điện được tiêm vào để chuyển đổi điện áp đo được thành trở kháng. Dựa vào kết quả của dữ liệu đó, người ta có thể xác định liệu mục tiêu trở kháng của thiết kế hệ thống nguồn đã được đáp ứng hay không.

Một Lưu Ý

Nếu không có điểm kiểm tra trên bảng mạch như những cái được hiển thị trong Hình 1, sẽ cần phải hàn cáp đồng trục vào các vị trí tiếp xúc với hai mặt phẳng đang được đo. Cách tốt nhất để làm điều này là loại bỏ hai tụ điện 0603 và hàn cáp đồng trục vào, như được hiển thị trong Hình 5. 

Khi hàn chì các chân dẫn vào PCB, như hình minh họa, việc có một cách nhanh chóng để ngắt kết nối cáp khỏi máy phân tích là rất tiện lợi. Cách dễ nhất để làm điều này là sử dụng các loại đầu nối BNC như những cái được hiển thị trong Hình 3. Hình 6 cho thấy các bộ chuyển đổi SMA được kết nối với các cáp thử nghiệm có gắn đầu dò. Để đo trở kháng so với tần số một cách chính xác, các kết nối phải đủ xa nhau sao cho hai đường dẫn không tạo ra sự cảm ứng chéo lẫn nhau.

Tóm tắt

Giờ đây, khi tín hiệu vi sai trở nên dễ dàng hơn, khía cạnh thách thức nhất của các thiết kế hiện tại là việc thiết lập hệ thống cung cấp điện một cách chính xác. Một trong những bảng mạch mà chúng tôi gần đây đã cung cấp dịch vụ tư vấn có hơn 200 liên kết vi sai 28 Gbps. Chúng tôi mất khoảng một ngày để tìm ra cách xử lý tất cả những liên kết đó. Thiết kế đó cùng lúc có 29 đường ray điện áp khác nhau; việc xác định nhu cầu dòng điện trong mỗi ray, delta(i), và dao động mất gần một tháng.

Với công cụ lập kế hoạch xếp chồng và công cụ định tuyến trong Altium Designer^®, bạn có thể thiết kế chính xác các PCB tốc độ cao và đặt các cấu trúc kiểm tra để thu thập đo lường trở kháng PDN. Môi trường thiết kế theo quy tắc giúp tăng tốc quá trình bố trí và định tuyến tốc độ cao, và các công cụ mô phỏng tích hợp giúp đảm bảo thiết kế của bạn luôn nằm trong phạm vi thông số hiệu suất.

Hãy nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm hoặc khám phá thêm về các tính năng định tuyến nâng cao và xác minh quy tắc thiết kế trong Altium Designer^®.

Tham khảo

1. Ritchey, Lee W., và Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design,” Tập 2.
2. Ritchey, Lee W., Bài giảng khóa học, “2-Day Signal Integrity and High Speed System Design,” lớp học đào tạo.