En un PCB , el sistema de distribución de alimentación ( SDD) es el sistema que distribuye la energía de la fuente de poder de los chips y diversos dispositivos de energía que requieren . Este sistema puede variar desde muy simples hasta muy complejas.
Un sistema simple puede recibir su energía de una fuente fuera del tablero , probablemente a través de un conector de borde . A continuación, distribuye la potencia a los dispositivos de huellas dirige desde el conector de borde en los dispositivos.
Un sistema complejo puede involucrar uno o más circuitos de alimentación regulada en el tablero. El poder puede ser " condicionada " por los filtros tan simple como un condensador de mayor o tan complejo como los circuitos sofisticado filtro LC de etapas múltiples . El poder se distribuye alrededor del tablero en un sistema de aviones , probablemente incluyendo al menos un conjunto de energía muy próximos entre sí pares de planos para la capacitancia Gnd planas distribuidas.
[ Nota al margen: Estrictamente hablando, no es correcto llamar al avión de regreso a un "término " avión. Como Bruce IBM Archambeault (Nota 1) le gusta decir , "Tierra es un lugar donde crecen las papas y las zanahorias ! " El avión de retorno es más propiamente se llama la "referencia" avión. Cada plano de alimentación debe tener un plano de referencia asociados. A menudo utilizan el término " plano de tierra " por costumbre y por razones históricas. ]
El PDS tiene tres requisitos principales que debe cumplir . Se deberá:
- 1. Entregar una tensión bien regulado y que estén
- 2. Estable en todos los puntos en el tablero en todas las actuales ( de carga) condiciones y es
- 3. Silencioso .
Estos requisitos se logra típicamente como sigue:
1. regulación de potencia se consigue en el circuito de la fuente de alimentación regulada, con el apoyo de uno o varios condensadores a granel y ( LC ) circuitos de filtrado. (Algunos de estos circuitos de filtrado están disponibles como chips monolíticos. ) Un condensador de filtro grueso típico tendrá un valor de al menos varios microfaradios , a menudo mucho más.
2. Estabilidad en todas las condiciones de carga en realidad tiene dos dimensiones:
( a) El primer requisito es que el sistema de distribución debe tener una baja resistencia y la inductancia. Esto normalmente requiere un sistema de poder / aviones a cambio de la distribución y las pastillas de baja inductancia / vías en las conexiones de dispositivos diferentes .
( b ) El segundo requisito es que la carga (corriente es el flujo de carga por unidad de tiempo , véase Brooks , nota 2) deben estar disponibles donde y cuando sea necesario. Este es un requisito sutil que no se entiende claramente por algunas personas. Cargo (actual) los flujos , a razón de (aproximadamente ) 6 "/ ns en un tablero fabricado con FR -4. Si un dispositivo cambia una cantidad significativa de los actuales (es decir, una cantidad significativa de carga) en 1,0 ns , que la carga debe estar dentro de 6 " de la obligación . La mitad de la carga debe estar dentro de 3 " de la obligación . Una cuarta parte de la carga debe ser de 1,5 " del requisito. Un gran panel con una fuente de alimentación regulada más de 6 "de distancia no puede suministrar la carga necesaria por el dispositivo de conmutación lo suficientemente rápido. El cargo requiere normalmente se almacena en los condensadores de bypass que rutinariamente a cabo por el tablero ( algunos de los cuales son por casualidad lo suficientemente cerca de satisfacer los diversos requisitos ), y en menor medida de la capacitancia distribuida plana .
3. " Tranquilo " significa que cuando un aparato se conecta no generar " ruido " en el tablero que interfiere con otros dispositivos o genera EMI. La fuente fundamental del ruido de conmutación es la inductancia y la relación V = L * di / dt (tensión de ruido es la inductancia multiplicado por el cambio actual dividido por el tiempo de subida de conmutación. ) Incluso con muy circuitos de baja inductancia, circuitos de conmutación con un aumento muy rápido veces ( muy pequeño dt) puede generar niveles de ruido destructiva . " Tranquilo " fichas técnicas se logran con una atención muy especial a los caminos de baja inductancia, pastillas de baja inductancia y vías , y capacidad en el plano. (Ver Hartley, Nota 3)
Tradicionalmente , hemos entendido que una buena PDS y silencioso es que había una gran cantidad de capacitores de paso en él. Y era fácil ampliar el entendimiento de que el concepto de que más ( capacitores de paso ) es mejor. Pero hay otro , una mejor manera de ver todo este asunto. Considere la posibilidad de que el sistema de distribución de energía tiene un montón de capacitores de paso entre el poder y planos de referencia . Esto significa que la impedancia de CA entre el poder y planos de referencia es muy baja ( en términos simplistas , el poder y planos de referencia son " cortocircuito " en frecuencias más altas por los condensadores de bypass. ) Vamos a cambiar nuestro pensamiento sobre el PDS de la siguiente manera :
El poder IDEAL sistema de distribución tiene una impedancia infinita en DC ( para distribución de energía DC ) y cero de impedancia en todas las frecuencias del otro (no importa cómo lo conseguimos ).
El ideal es, por supuesto , no es posible de lograr. Sin embargo, usted consigue el punto . Lo que necesitamos es de alta impedancia en DC , y muy baja impedancia en todas partes ; véase la figura 1. Entonces el poder se distribuye en los que la necesitan y el sistema es de por sí tranquilo. Y no dijimos que necesitábamos bypass condensadores para alcanzar ese ideal , aunque si echamos bastante bypass condensadores en el sistema que se aproximará a él ( al menos teóricamente) .
Figura 1. La distribución ideal de alimentación del sistema curva de impedancia sería muy elevado en la CC y bajas en todas las otras frecuencias.
Veamos algunas posibles configuraciones de PDS. La figura 2 muestra una curva de impedancia para un sistema con 50 cada 0.01 uF condensadores. En el mundo real , condensadores ( y su montaje) tienen alguna inductancia vinculadas con estas, así que vamos a asumir en esta ilustración que la inductancia asociada a cada una es de 5,0 nH . Y , condensadores ESR algunos asociados con ellos , así que también asumen que la ESR para cada condensador es de 0,01 ohmios. Esos son los supuestos detrás de la curva en la Figura 2 . Como cuestión de referencia, una línea horizontal se traza en la curva de 0,1 ohmios de impedancia .
Figura 2 . 50 cada 0.01 uF condensadores. La línea horizontal es una referencia 0,1 ohmios.
El pico negativo en la curva de impedancia se produce en la frecuencia de resonancia propia de los condensadores . Esta frecuencia está dada por
Donde C = 0,01 uF y L = 5,0 nH . Cada condensador , junto con su inductancia asociada , forma un circuito LC en serie . circuitos LC tienen una frecuencia propia de resonancia como se especifica en la ecuación 1. La impedancia de cada condensador como en su frecuencia de resonancia es igual a ESR , en este caso 0,01 ohmios. Puesto que hay 50 condensadores en paralelo en este diseño , la impedancia de red en el punto uno mismo-resonante es 0.01/50 = 0.0002 ohmios, como se muestra en la Figura 2 .
Este diseño no cumple con nuestros requisitos ( de alta impedancia para DC , de baja impedancia en todas partes ), pero al menos podemos ver una tendencia. Supongamos que modificar el diseño para incluir algunas .001 uF condensadores. En concreto , supongamos que añadir 50 cada 0.001 condensadores, con inductancia asociada igual a 5,0 nH todos y cada uno con una VSG de .01 ohmios a los 50 cada uno .01 condensadores que ya tenemos. Figura 3 es el resultado de la curva de impedancia PDS esos supuestos .
Figura 3 . 50 cada una .01 y 50 de cada 0.001 condensadores.
Los resultados son mejores , a excepción de que el pico de impedancia inquietante aproximadamente a 52,8 MHz . Ese pico se conoce como un "anti -resonante "pico (en realidad un pico de resonancia paralelo) entre las frecuencias de resonancia propia de los dos valores de condensadores que estamos usando. De acuerdo con nuestra hipótesis , el 0,01 condensadores tienen una frecuencia propia de resonancia de 22,5 MHz y la .001 condensadores tienen una frecuencia de resonancia propia en 71,2 Mhz. Sin embargo, a frecuencias entre estos puntos uno mismo-resonante , el circuito ve la capacidad del condensador .001 en paralelo con la inductancia del condensador .01. Esto resulta en una paralela ( o anti -resonancia ) a una frecuencia en el medio, en este caso acerca de 52,8 MHz .
El problema en este caso es que el PDS como fue diseñado aquí es bastante tranquilo a cabo alrededor de 400 MHz , excepto en la región alrededor de 52 a 53 MHz . Esto es malo . La consecuencia práctica de ello es que si hay frecuencias de ruido en nuestro foro en esta región de frecuencias (por ejemplo causado por un reloj o frecuencia de los datos armónico) las frecuencias no se cortarán por PDS y en última instancia, puede convertirse en radio frecuencia. Cuando las juntas no pasan las pruebas de la FCC el cumplimiento , no es raro encontrar que las frecuencias en el que no está en la región de los puntos de PDS anti-resonante .
En este punto debe quedar claro a dónde vamos . Dos preguntas muy relevantes son:
1. ¿Puedo diseñar un sistema PDS para que no haya puntos anti -resonante , o al menos cuando la impedancia en todas las frecuencias dentro de un rango es inferior a algunos de impedancia objetivo? Y
2. ¿Cómo puedo calcular la impedancia de mi PDS ?
La respuesta a la primera cuestión es "Sí ! " (Ver Brooks, Nota 4. ) Como muestro en este artículo, En términos muy generales:
1. Más condensadores son mejores que menos condensadores.
2. Más condensador valores son mejores que menos condensador valores.
3. Moderado ESR es mejor que la más baja ESR.
Pero la respuesta a la segunda cuestión es mucho más problemática . Pensar en estos términos: Un capacitor de paso solo es realmente un circuito en serie RLC (su capacidad inherente, su inductancia inherentes , junto con la inductancia del montaje y sistema de unión , y su ESR ). manualmente el cálculo de una curva de impedancia para un solo circuito RLC es sencillo. Si tenemos dos condensadores tipo en paralelo, de forma manual el cálculo de la curva de impedancia resultante es manejable, pero más difícil. Manualmente el cálculo de la curva de impedancia de tres condensadores en paralelo es como un reto bastante bueno. Manualmente el cálculo de la curva de impedancia de centenares de condensadores en paralelo en lo impensable.
Existen herramientas que pueden utilizarse para el tipo de análisis, pero no están diseñados para los conjuntos de prácticas de los cálculos . La última vez que utiliza Excel para un análisis simplemente empantanada en la cantidad de corte de datos que se tramita el proceso .
Así que en UltraCAD creado nuestra propia calculadora para el cálculo de la impedancia de un sistema de distribución de energía . Véanla en http://www.ultracad.com/calc.htm. La forma primaria de la calculadora se muestra en la Figura 4 .
Figura 4 . Distribución UltraCAD de sistema de potencia Impedancia Calculadora.
Puede ser utilizado en dos modos, ( a) El uso definidos internamente los valores , y ( b ) Los valores de entrada desde el archivo. La primera es útil para experimentar con diferentes opciones - el número de valores de condensador , los valores de capacitancia e inductancia , el impacto de la RSE , etc - y ver cuál es el impacto global de la impedancia . Figuras 2 y 3 se genera con esa función. El segundo permite que el usuario introduzca datos que representa a su PDS real. La calculadora se generará una curva de impedancia que representa que los datos .
Dos usuarios con licencia de una versión anterior de esta calculadora fueron lo suficientemente bueno para enviarnos copias de sus archivos de datos. Nos han dado permiso para usar los archivos, pero no para identificar a ellos oa sus empresas. La Figura 5 muestra los resultados de estas dos archivos de datos. Una línea de referencia arbitraria , marcada por 0,5 ohmios en la salida. Muestra de ensayo es una forma segura por debajo de ese valor en todos los puntos , la muestra de prueba 2 tiene un anti- resonancia que sólo supera este valor en un área pequeña. Ambas ilustraciones emplear uno o más pares de capacitancia plano en su diseño. La gente que compra una licencia para esta calculadora obtener copias de estos dos archivos de prueba en su paquete. ( Hay un montón de regalos gratis en nuestro sitio , también, a fin de comprobar todo . )
Figura 5 . Los resultados de dos archivos distintos usuarios de datos. En cuanto a la red de distribución eléctrica Impela danza curva de una lata de PCB por muy útil en el diseño de placas de circuito o reparación . Saber dónde están los puntos de lucha contra la resonancia se puede ser especialmente útil . El concepto de un "ideal" curva de impedancia PDS puede ser una imagen muy útil para tener en cuenta. Referencias 1. Archambeault Bruce le gusta decir esto en sus artículos y seminarios. Véase también su Diseño de PCB en el mundo real de control de EMI, Publicaciones de Springer , julio, 2002. Dos . Douglas Brooks, "¿Qué es esa cosa llamada ' actual: " Los electrones, los desplazamientos , Luz, o qué?"Disponible en http://www.ultracad.com/mentor/what_is_current.pdf 3. Rick Hartley, El control de radio frecuencia a través de PCB Stack -Up, Diseño de circuitos impresos , julio, 2000 , p16 . Aunque el artículo de Rick se señaló en el estrecho radio frecuencia , sus conclusiones son bastante generales . Las dos pautas principales para lograr una buena integridad de la señal son (una ruta ) todo rastro cerca de un plano continuo , de referencia relativos , y ( b ) utilizar al menos una potencia / par plano de tierra para la capacitancia plana. 5. Usted puede ver la calculadora en PDSI http://www.ultracad.com/calc.htm. Un Manual del Operador / archivo de ayuda se puede descargar desde allí para aprender más acerca de la calculadora, sus capacidades, y cómo programarla . http://www.pcbdesign007.com/pages/zone.cgi?artcatid=&a=70670&artid=70670&pg=5
4. Ver Brooks, "VSG y capacitor de paso resonante comportamiento auto : Cómo seleccionar Caps Bypass, "Disponible en http://www.ultracad.com .
Douglas Brooks tiene un MS / EE de la Universidad de Stanford y un doctorado de la Universidad de Washington . Ha pasado la mayor parte de su carrera en la industria electrónica en las posiciones de la ingeniería , marketing , gerencia general, y como director general de varias compañías. Ha tenido UltraCAD Design Inc. desde 1992. Es autor de numerosos artículos en diversas disciplinas , y ha escrito artículos y dado seminarios en todo el mundo sobre cuestiones de integridad de señal desde la fundación de UltraCAD . Su libro, Diseño de circuitos impresos y los problemas de integridad de señal fue publicado por Prentice Hall en 2003. Visite su sitio en internet
