PCBにおけるPDNの基礎を理解する

PDNの設計が不十分であれば、断続的な問題から完全なシステム障害に至るまで、その結果は重大である。

このテーマについてまとめた情報をぜひご覧ください。私たちのガイドを通して、PCBにおけるPDN設計の重要な側面を探りましょう。

PCB設計におけるPDNの意義

PCB 設計においてパワーインテグリティを維持することは、設計を繰り返すたびに増大する課題です。コア電圧が1.2V以下に低下すると、必然的に電流需要が増加し、IRドロップ(IRドロップ=I * R)が増大します。さらに、よりコンパクトな電子回路を目指すと、レイヤーを減らして回路を高密度化する必要があり、パワーネットのためのスペースが少なくなります。バイアスはさらなる複雑さをもたらし、しばしばパワー・プレーンに「スイス・チーズ」効果をもたらす。

ハードウェア設計者やパワーインテグリティ・エンジニアから、電子メールや電話といったさまざまな通信手段、あるいは従来の常識を通じて寄せられるさまざまな指示を解釈することです。これらの指示を吸収し、多数の電源に適用する必要があります。その後、設計者は、多くの場合、非現実的な時間枠の中で、サイズの最小化、レイヤーの削減、コンポーネントの削減といったさらなる要求に直面します。

電磁干渉(EMI)に関する考慮事項

回路の高速化に伴い、内部および外部ソースからの EMI の影響を受けやすくなることは、より差し迫った問題となり得る。EMI 関連の問題を軽減するには、電源プレーンとグランドプレーンを戦略的に構成することで、効果的なシールドを実現できる。

グラウンドのバウンド問題への対応

デジタル信号を同時に切り替えると、同時スイッチング・ノイズ(SSN)やグラウンド・バウンスが発生することがある。これは、メモリやデータ・バスで典型的に発生する現象で、信号レベルが意図した基準グランド・レベルに戻らず、基準グランド・レベルを超えて跳ね返ってしまうことがあります。 

このようなノイズは適切な回路動作を妨げ、誤ったスイッチングを誘発する可能性がある。ロバストPDNは、グランドレベルを安定させることにより、これらの影響を最小限に抑えます。

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電力波及の管理

また、電源のスイッチング動作によってノイズやリップルが発生し、隣接する回路のクロストークにつながり、それらの回路のシグナルインテグリティに悪影響を与えることもある。

PCBにおけるPDNインピーダンスの定義

PDN には、電源プレーンやグラウンド・プレーン、相互接続バス、電源の安定性を高めるデカップリング・コンデンサ、一次電源レールに接続される銅製部品など、電圧レールやグラウンド・レールに接続されるすべての部品が含まれる。PDNのインピーダンスは、集積回路(IC)への接続によるキャパシタンスやインダクタンスなどの寄生効果で構成される。

PDNのインピーダンスに大きな影響を与える主な寄生素子には、以下のようなものがある:

  • 平面容量 - PDNのプレーン層間に存在するキャパシタンス。
  • コンデンサー・インダクタンス - 自己共振に影響するコンデンサのリード線からの寄生インダクタンス。
  • トレース・インダクタンス - 電力供給トレースからPDN全体への誘導寄与。

PCB設計においてPDNインピーダンスが重要な理由

PDNインピーダンスの重要性は、高速・高周波設計者の間ではよく知られており、近い将来、技術の進歩に伴い、すべての設計者がこの知識を取り入れる必要が出てくるでしょう。ここでは、PDNインピーダンスがPCBの挙動に与える重要な影響について整理する:

電源バス・ノイズの影響

過渡電流はPCB内で電圧変動やリップルを引き起こす可能性があり、これは異なる周波数におけるPDNのインピーダンス・プロファイルに直接影響されます。

電源バス発振の減衰

デカップリング・コンデンサの不適切なサイズ設定や、自己共振周波数の無視に起因する可能性がある。

十分なデカップリングの必要性

従来のコンデンサは、自己共振周波数が限られている(100MHz前後)ため、高速ロジックPCBで十分なデカップリングを提供できないことが増えています。これを補うため、設計者は高速・高周波PCBアプリケーションで十分なデカップリングを実現するために、面間容量やGHz帯の自己共振周波数を持つ新しいコンデンサを活用しています。

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