Cơ bản về PDN cho Người thiết kế PCB

Khi các nhà thiết kế PCB nghe đến thuật ngữ "PDN", hay "Mạng Phân Phối Điện", họ có thể nghĩ đến các khái niệm như đồ thị bode, phép thuật đen, và những điều bí ẩn, đáng sợ khác. Trên thực tế, mục tiêu của PDN cũng đơn giản như hầu hết các khía cạnh thiết kế PCB ảnh hưởng đến hiệu suất PDN. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích các khía cạnh khác nhau của hầu hết các thiết kế PDN và cách phần mềm thiết kế PCB có thể ảnh hưởng đến chúng.

MỤC TIÊU CHUNG: CUNG CẤP ĐỦ DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP CHO TẤT CẢ CÁC TẢI

Mục tiêu cơ bản của Mạng Phân Phối Điện rất đơn giản - cung cấp đủ dòng điện và điện áp cho mỗi tải để đáp ứng yêu cầu hoạt động của chúng. Mặc dù thiết kế tổng thể của PDN, bao gồm các bộ điều chỉnh điện áp, giảm xóc trên chip, đóng gói, lắp đặt linh kiện, v.v., là một khoa học rất thách thức đòi hỏi đào tạo chuyên môn và kinh nghiệm, nhưng việc tối ưu hóa PCB cho hiệu suất PDN ít phức tạp hơn vì nhà thiết kế PCB bị giới hạn trong những gì họ có thể làm. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào những gì cần xem xét trong bố cục PCB để đảm bảo rằng thiết kế PCB của bạn sẽ cung cấp đủ dòng điện và điện áp cho tất cả các tải của bạn.

YÊU CẦU 1: ĐỦ KIM LOẠI GIỮA NGUỒN VÀ TẢI

Đảm bảo có đủ kim loại (thường là đồng) giữa mỗi nguồn và tải tương ứng của chúng là khía cạnh quan trọng nhất trong thiết kế PDN. Một tin vui là, với một chi phí hợp lý, IPC-2152 cung cấp hướng dẫn khá rõ ràng về cách thực hiện điều này. Dựa vào dòng điện tối đa dự kiến và mức tăng nhiệt độ cho phép, quy định sẽ cho bạn biết chiều rộng tối thiểu nên là bao nhiêu cho hình dạng nguồn của bạn. Tuy nhiên, một nhà thiết kế chỉ sử dụng IPC-2152 sẽ thiết kế quá mức cho phần mềm thiết kế PCB của họ mà không nhận thức được các vấn đề trong thiết kế, điều này đi kèm với một số hạn chế bao gồm:

- Các khuyến nghị về chiều rộng của IPC-2152 rất thận trọng. Chúng đại diện cho các phép tính sử dụng dữ liệu từ kịch bản tồi tệ nhất về nhiệt (bảng 2 lớp không có đồng kề bên) và người dùng thường làm theo các giả định thận trọng nhất (ví dụ, mức tăng nhiệt độ tối thiểu cho phép). Các thiết kế chỉ sử dụng IPC-2152 có thể có hình dạng nguồn lớn hơn nhiều so với cần thiết.

- Các khuyến nghị về via của IPC-2152 cũng thận trọng. Điều này đặc biệt gây vấn đề vì via cho một đường ray nguồn có thể xuyên qua các hình dạng nguồn phía trên và phía dưới, do đó số lượng và kích thước của via nên được tối ưu hóa. Các thiết kế chỉ sử dụng IPC-2152 có thể có các via nguồn lớn hơn hoặc nhiều hơn so với cần thiết.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Learn More

Đổ Đồng Thận Trọng

- IPC-2152 chỉ áp dụng cho những thiết kế đơn giản nhất. Một chiều rộng nhất quán từ nguồn đến tải mà không có bất kỳ lỗ thông hơi nào từ vias hay sự thu hẹp từ các linh kiện và hình dạng khác. IPC-2152 không đưa ra hướng dẫn về cách giải quyết những không hoàn hảo trong hình dạng nguồn điện của thiết kế.

- IPC-2152 không cung cấp cái nhìn sâu sắc vào việc đặt các thanh nguồn điện liên quan. Các bộ điều chỉnh điện áp thường có các yêu cầu cụ thể cho các hình dạng nguồn điện liên quan đến chúng, từ đầu vào đến đầu ra, có thể bao gồm cả phản hồi.

Nhà thiết kế cần những công cụ tốt hơn để tối ưu hóa kích thước và hình dạng của các thanh nguồn điện (và mặt đất) của họ, thường được gọi là “PI-DC” hoặc “IR Drop”. Altium đã tích hợp khả năng này vào môi trường thiết kế của họ với PDN Analyzer để làm cho việc đáp ứng các yêu cầu PDN trở nên dễ dàng nhất có thể. Thay vì dựa vào IPC-2152, một nhà thiết kế có thể phân tích từng thanh nguồn để xem lượng kim loại phù hợp là bao nhiêu, bao gồm cả những khía cạnh mà IPC-2152 không đề cập như:

- Khoảng cách giữa nguồn và tải

- Sự giảm điện áp cho phép giữa nguồn và tải

- Dòng điện cho phép qua các chân kết nối

- Bù đắp cho các lỗ thông hơi hoặc sự thu hẹp trong mặt đất từ vias, kết nối, v.v.

- Các phần của hình dạng nguồn hoặc mặt đất không dẫn dòng điện, làm cho chúng trở thành ứng cử viên cho các vấn đề tiềm ẩn như sự cố EMI và crosstalk quá mức

- Hiệu quả của hình dạng nguồn và mặt đất

PDN Analyzer cho phép nhà thiết kế nhanh chóng và dễ dàng đáp ứng khía cạnh cơ bản nhất của thiết kế PDN - tối ưu hóa thiết kế kim loại giữa các nguồn và tải.

Thiết kế với Bán đảo và Đảo Đồng màu Xanh

YÊU CẦU 2: KÍCH THƯỚC, GIÁ TRỊ, SỐ LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ CỦA TỤ ĐIỆN

Khía cạnh tiếp theo của thiết kế dưới sự kiểm soát của trình chỉnh sửa PCB là tối ưu hóa tụ điện. Ban đầu, điều này có thể trở nên đáng sợ vì nó liên quan đến các đặc tính phụ thuộc vào tần số, ít trực quan hơn so với khía cạnh PI-DC. May mắn thay, độ phức tạp được giới hạn bởi số lượng tham số ảnh hưởng đến hiệu quả của tụ điện mà một bản vẽ mạch của nhà thiết kế PCB có thể ảnh hưởng, bao gồm:

- Lựa chọn tụ điện (kích thước, giá trị và số lượng)

- Vị trí đặt tụ điện

- Cấu trúc lớp

Hai yếu tố cuối cùng là những khía cạnh mà nhà thiết kế PCB tùy chỉnh có thể ảnh hưởng nhiều nhất và việc tối ưu hóa của chúng đòi hỏi việc tuân theo các hướng dẫn cụ thể, bao gồm (Bogatin, 2011):

- Phân tán tụ điện xung quanh gói của tải

- Đặt tụ điện gần nhau

- Đặt các mặt phẳng nguồn và mặt đất của đường ray nguồn càng gần bề mặt của bảng mạch càng tốt

- Sử dụng điện môi mỏng nhất có thể giữa các mặt phẳng nguồn và mặt đất

- Thay đổi cực của vias tụ điện khi chúng ở gần nhau

Vị trí đặt tụ điện xung quanh gói tải

Cũng có các công cụ miễn phí có sẵn để hỗ trợ nhà thiết kế trong việc tối ưu hóa tụ điện, bao gồm Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) và Altera (với công cụ “PDN” của họ).

LƯU Ý VỀ ĐỘ PHỨC TẠP CỦA THIẾT KẾ

Có những hệ thống cung cấp điện phức tạp hơn nhiều, như bộ điều khiển động cơ với các yêu cầu bổ sung như cuộn cảm, vòng phản hồi, v.v., mà chúng tôi sẽ không đề cập ở đây. Trong những trường hợp này, sẽ cần có các công cụ phân tích phức tạp hơn và/hoặc hướng dẫn mà hầu hết các nhà thiết kế PCB không có quyền truy cập.

Biểu Đồ Mật Độ Dòng Điện trên Thiết Kế Rigid-Flex Phức Tạp

ĐÓ LÀ TẤT CẢ?

Thiết kế giải pháp PDN toàn hệ thống đáp ứng khả năng và yêu cầu của từng nguồn và tải là một khoa học rất phức tạp. Nhưng PDN Analyzer cho phép phần mềm thiết kế PCB dễ dàng tối ưu hóa hình dạng nguồn và mặt đất để sử dụng ít diện tích và linh kiện nhất có thể trong khi tăng độ tin cậy của thiết kế.

Biểu Đồ Mật Độ Dòng Điện trên Thiết Kế Rigid-Flex