Verständnis der PDN-Grundlagen in PCB

Die Folgen eines schlecht konzipierten PDN sind erheblich und reichen von sporadischen Problemen bis hin zu kompletten Systemausfällen.

Wir laden Sie ein, die Informationen, die wir zu diesem Thema zusammengestellt haben, zu lesen. Begleiten Sie uns, wenn wir in unserem Leitfaden die entscheidenden Aspekte des PDN-Designs in Leiterplatten untersuchen.

Die Bedeutung von PDN im PCB-Design

Die Aufrechterhaltung der Stromversorgungsintegrität beim PCB-Design ist eine Herausforderung, die mit jeder Design-Iteration wächst. Wenn die Kernspannungen auf 1,2 V und darunter sinken, steigen die Stromanforderungen unweigerlich an, was zu einem erhöhten IR-Abfall führt (IR-Abfall = I * R). Darüber hinaus erfordert das Streben nach kompakterer Elektronik weniger Schichten und dichtere Schaltungsdesigns, wodurch weniger Platz für Leistungsnetze bleibt. Durchkontaktierungen bringen weitere Komplikationen mit sich und führen oft zu einem "Schweizer Käse"-Effekt in Leistungsebenen.

Das Leben eines Leiterplattendesigners ist gespickt mit PDN-Herausforderungen - die Interpretation verschiedener Anweisungen von Hardware-Designern oder Power-Integrity-Ingenieuren, die über verschiedene Kommunikationskanäle wie E-Mails und Anrufe oder konventionelle Weisheiten kommen. Diese Anweisungen müssen assimiliert und auf zahlreiche Stromversorgungen angewendet werden. Danach wird der Designer mit weiteren Anforderungen konfrontiert, die darauf abzielen, die Größe zu minimieren und die Anzahl der Schichten und Komponenten zu reduzieren, und das oft innerhalb eines unpraktischen Zeitrahmens.

Überlegungen zu elektromagnetischen Störungen (EMI)

Mit zunehmender Geschwindigkeit der Schaltkreise kann die Anfälligkeit für EMI aus internen und externen Quellen zu einem dringenden Problem werden. Um EMI-bezogene Probleme zu mindern, kann eine strategische Konfiguration von Stromversorgungs- und Erdungsebenen eine wirksame Abschirmung bieten.

Behandlung von Bodenabprallproblemen

Das gleichzeitige Schalten digitaler Signale kann zu simultanem Schaltrauschen (SSN) oder Ground Bounce führen. Dies ist ein typisches Phänomen bei Speicher- oder Datenbussen und kann dazu führen, dass die Signalpegel nicht mehr auf den vorgesehenen Bezugspegel zurückkehren, sondern darüber hinausgehen. 

Dieses Rauschen kann den ordnungsgemäßen Betrieb der Schaltung stören und zu Fehlschaltungen führen. Ein robustes PDN minimiert diese Effekte, indem es den Massepegel stabilisiert.

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Umgang mit Stromschwankungen

Rauschen oder Welligkeit können auch durch die Schaltvorgänge des Netzteils erzeugt werden, was zu Übersprechen in benachbarten Schaltungen führt und die Signalintegrität in diesen Schaltungen beeinträchtigt.

Definieren der PDN-Impedanz in PCB

Ein PDN umfasst alle Komponenten, die mit den Spannungs- und Erdungsschienen verbunden sind, einschließlich der Stromversorgungs- und Erdungsebenen, der Verbindungsbusse, der Entkopplungskondensatoren, die die Leistungsstabilität fördern, und aller Kupfermerkmale, die mit den primären Stromschienen verbunden sind. Die PDN-Impedanz umfasst parasitäre Effekte wie Kapazitäten und Induktivitäten von Verbindungen zu integrierten Schaltungen (ICs).

Zu den wichtigsten parasitären Elementen, die die PDN-Impedanz erheblich beeinflussen, gehören:

  • Kapazität in der Ebene - Die Kapazität zwischen den ebenen Schichten des PDN.
  • Kondensator Induktivität - Parasitäre Induktivität von Kondensatorleitungen, die die Eigenresonanz beeinträchtigt.
  • Induktivität der Leiterbahn - Induktive Beiträge von stromliefernden Leiterbahnen zum gesamten PDN.

Warum die PDN-Impedanz beim PCB-Design wichtig ist

Die Bedeutung der PDN-Impedanz ist unter Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzdesignern gut bekannt, und schon bald werden alle Designer dieses Wissen mit fortschreitender Technologie übernehmen müssen. Hier werden die entscheidenden Auswirkungen der PDN-Impedanz auf das Leiterplattenverhalten zusammengefasst:

Auswirkungen des Strombus-Rauschens

Transiente Ströme können Spannungsschwankungen oder Welligkeiten auf Ihrer Leiterplatte verursachen, die direkt durch das Impedanzprofil des PDN bei verschiedenen Frequenzen beeinflusst werden.

Dämpfung von Energiebusschwingungen

Auf dem Energiebus können Klingeln oder unterdämpfte Schwingungen auftreten, die möglicherweise auf eine falsche Dimensionierung der Entkopplungskondensatoren oder die Vernachlässigung ihrer Eigenresonanzfrequenzen zurückzuführen sind.

Notwendigkeit einer ausreichenden Entkopplung

Herkömmliche Kondensatoren sind aufgrund ihrer begrenzten Eigenresonanzfrequenzen (etwa 100 MHz) zunehmend nicht mehr in der Lage, eine ausreichende Entkopplung in schnellen Logik-Leiterplatten zu gewährleisten. Um dies zu kompensieren, nutzen die Entwickler die Zwischenebenen-Kapazität und neuere Kondensatoren mit Eigenresonanzfrequenzen im GHz-Bereich, um eine angemessene Entkopplung in Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Leiterplattenanwendungen zu erreichen.

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