Comprender los fundamentos de PDN en PCB

Las consecuencias de una PDN mal diseñada son importantes, desde problemas intermitentes hasta fallos completos del sistema.

Le invitamos a examinar la información que hemos recopilado sobre este tema. Acompáñenos a explorar los aspectos cruciales del diseño de PDN en placas de circuito impreso a través de nuestra guía.

La importancia de la PDN en el diseño de placas de circuito impreso

Mantener la integridad de la alimentación en el diseño de PCB es un reto que crece con cada iteración del diseño. A medida que las tensiones del núcleo disminuyen a 1,2 V e inferiores, las demandas de corriente aumentan inevitablemente, lo que provoca un aumento de la caída IR (caída IR = I * R). Además, la tendencia hacia una electrónica más compacta exige menos capas y diseños de circuitos más densos, lo que deja menos espacio para las redes de alimentación. Las vías introducen más complicaciones, creando a menudo un efecto de "queso suizo" en los planos de potencia.

La vida de un diseñador de PCB está sembrada de retos de PDN: interpretar instrucciones variadas de diseñadores de hardware o ingenieros de integridad de potencia que llegan a través de distintos canales de comunicación, como correos electrónicos y llamadas, o de la sabiduría convencional. Estas directrices deben asimilarse y aplicarse a numerosas fuentes de alimentación. Después, el diseñador se enfrenta a otras peticiones para minimizar el tamaño, reducir capas y componentes, a menudo en plazos poco prácticos.

Consideraciones sobre interferencias electromagnéticas (EMI)

A medida que aumenta la velocidad de los circuitos, la susceptibilidad a las interferencias electromagnéticas procedentes de fuentes internas y externas puede convertirse en un problema más acuciante. Para mitigar los problemas relacionados con la EMI, la configuración estratégica de los planos de potencia y tierra puede proporcionar un blindaje eficaz.

Problemas de rebote en el suelo

La conmutación simultánea de señales digitales puede provocar ruido de conmutación simultánea (SSN) o rebote a tierra. Este fenómeno es habitual en los buses de memoria o de datos y puede provocar que los niveles de señal no vuelvan a su nivel de tierra de referencia y reboten por encima de él. 

Este ruido puede interferir en el correcto funcionamiento del circuito e inducir falsas conmutaciones. Una PDN robusta minimiza estos efectos estabilizando el nivel de tierra.

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Gestión de las ondulaciones de potencia

Las acciones de conmutación de la fuente de alimentación también pueden generar ruido u ondulaciones, lo que provoca diafonía en los circuitos adyacentes y afecta negativamente a la integridad de la señal en esos circuitos.

Definición de la impedancia PDN en PCB

Una PDN engloba todos los componentes conectados a los carriles de tensión y tierra, incluidos los planos de potencia y tierra, los buses de interconexión, los condensadores de desacoplamiento que fomentan la estabilidad de la potencia y cualquier elemento de cobre que se conecte a los carriles de potencia primarios. La impedancia de la PDN comprende efectos parásitos como la capacitancia y la inductancia de las conexiones a los circuitos integrados (CI).

Entre los elementos parasitarios clave que influyen significativamente en la impedancia de la PDN se incluyen:

  • Capacitancia plana - Capacitancia existente entre las capas planas de la PDN.
  • Condensador Inductancia - Inductancia parásita de los cables del condensador, que afecta a la autorresonancia.
  • Inductancia de la traza - Contribuciones inductivas de las trazas de suministro de energía a la PDN global.

Por qué es importante la impedancia PDN en el diseño de placas de circuito impreso

La importancia de la impedancia PDN es bien conocida entre los diseñadores de alta velocidad y alta frecuencia, y muy pronto todos los diseñadores tendrán que adoptar este conocimiento con el avance de la tecnología. Aquí consolidamos el impacto crucial de la impedancia PDN en el comportamiento de las placas de circuito impreso:

Implicaciones del ruido del bus de alimentación

Las corrientes transitorias pueden provocar fluctuaciones de tensión u ondulaciones en la placa de circuito impreso, en las que influye directamente el perfil de impedancia de la PDN en las distintas frecuencias.

Amortiguación de las oscilaciones del bus de alimentación

En el bus de alimentación pueden aparecer zumbidos u oscilaciones insuficientemente amortiguadas, lo que puede deberse a un dimensionamiento incorrecto de los condensadores de desacoplamiento o a que no se tengan en cuenta sus frecuencias de autorresonancia.

Necesidad de una desvinculación adecuada

Los condensadores tradicionales son cada vez más incapaces de proporcionar un desacoplamiento suficiente en las placas de circuito impreso de lógica rápida debido a sus limitadas frecuencias de autorresonancia (en torno a 100 MHz). Para compensar, los diseñadores están aprovechando la capacitancia entre planos y los nuevos condensadores con frecuencias de autorresonancia en el rango de GHz para lograr un desacoplamiento adecuado en aplicaciones de PCB de alta velocidad y alta frecuencia.

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