Comprensione dei fondamenti PDN nei PCB

Le conseguenze di una PDN mal progettata sono significative e vanno da problemi intermittenti a guasti completi del sistema.

Vi invitiamo a consultare le informazioni che abbiamo raccolto su questo argomento. Unitevi a noi nell'esplorare gli aspetti cruciali della progettazione di PDN nei PCB attraverso la nostra guida.

L'importanza di PDN nella progettazione di PCB

Mantenere l'integrità dell'alimentazione nella progettazione di circuiti stampati è una sfida che cresce a ogni iterazione del progetto. Quando le tensioni del core scendono a 1,2 V e oltre, le richieste di corrente aumentano inevitabilmente, portando a un aumento della caduta IR (caduta IR = I * R). Inoltre, la spinta verso un'elettronica più compatta richiede meno strati e progetti di circuiti più densi, lasciando meno spazio per le reti di alimentazione. I vias introducono ulteriori complicazioni, creando spesso un effetto "formaggio svizzero" nei piani di potenza.

La vita di un progettista di circuiti stampati è costellata di sfide PDN: interpretare le varie istruzioni dei progettisti hardware o degli ingegneri dell'integrità di potenza che arrivano attraverso diversi canali di comunicazione, come e-mail e telefonate, o la saggezza convenzionale. Queste direttive devono essere assimilate e applicate a numerosi alimentatori. Poi, il progettista deve affrontare ulteriori richieste di minimizzare le dimensioni, ridurre gli strati e i componenti, spesso in tempi improponibili.

Considerazioni sulle interferenze elettromagnetiche (EMI)

Con l'aumento della velocità dei circuiti, la suscettibilità alle EMI da fonti interne ed esterne può diventare un problema più pressante. Per attenuare i problemi legati alle EMI, la configurazione strategica dei piani di alimentazione e di terra può fornire una schermatura efficace.

Affrontare i problemi di rimbalzo al suolo

La commutazione simultanea di segnali digitali può provocare un rumore di commutazione simultaneo (SSN) o rimbalzo a terra. Questo fenomeno è tipico della memoria o dei bus di dati e può portare i livelli di segnale a non tornare al livello di riferimento previsto per la terra, causando un rimbalzo al di sopra di esso. 

Questi disturbi possono interferire con il corretto funzionamento del circuito e indurre false commutazioni. Un PDN robusto riduce al minimo questi effetti stabilizzando il livello del suolo.

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Gestione delle oscillazioni di potenza

Il rumore o le increspature possono essere generati anche dalle azioni di commutazione dell'alimentatore, provocando una diafonia nei circuiti adiacenti e influendo negativamente sull'integrità del segnale in tali circuiti.

Definizione dell'impedenza PDN in un PCB

Una PDN comprende tutti i componenti collegati alle rotaie di tensione e di terra, compresi i piani di alimentazione e di terra, i bus di interconnessione, i condensatori di disaccoppiamento che favoriscono la stabilità dell'alimentazione e qualsiasi elemento in rame che collega le rotaie di alimentazione primaria. L'impedenza della PDN comprende effetti parassiti come la capacità e l'induttanza delle connessioni ai circuiti integrati (IC).

I principali elementi parassiti che influenzano in modo significativo l'impedenza della PDN includono:

  • Capacità del piano - Capacitanza esistente tra gli strati di piano della PDN.
  • Induttanza del condensatore - Induttanza parassita dai conduttori del condensatore, che influisce sull'autorisonanza.
  • Induttanza della traccia - Contributi induttivi delle tracce che erogano potenza alla PDN complessiva.

Perché l'impedenza PDN è importante nella progettazione di PCB

L'importanza dell'impedenza PDN è ben nota ai progettisti ad alta velocità e ad alta frequenza e presto tutti i progettisti dovranno adottare questa conoscenza con l'avanzare della tecnologia. In questa sede, consolidiamo l'impatto cruciale dell'impedenza PDN sul comportamento dei circuiti stampati:

Implicazioni del rumore del bus di alimentazione

Le correnti transitorie possono causare fluttuazioni di tensione o increspature all'interno del circuito stampato, influenzate direttamente dal profilo di impedenza del PDN a diverse frequenze.

Smorzamento delle oscillazioni del bus di potenza

Sul bus di potenza potrebbero manifestarsi oscillazioni anulari o sottosmorzate, potenzialmente dovute a un dimensionamento errato dei condensatori di disaccoppiamento o alla trascuratezza delle loro frequenze di autorisonanza.

Necessità di un disaccoppiamento adeguato

I condensatori tradizionali non sono sempre più in grado di fornire un disaccoppiamento sufficiente nei circuiti stampati logici veloci a causa delle loro limitate frequenze di autorisonanza (circa 100 MHz). Per compensare, i progettisti stanno sfruttando la capacità interpiano e i nuovi condensatori con frequenze di autorisonanza nell'intervallo dei GHz per ottenere un disaccoppiamento adeguato nelle applicazioni PCB ad alta velocità e ad alta frequenza.

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