Compreender os fundamentos de PDN em PCB

As consequências de um PDN mal concebido são significativas, desde problemas intermitentes a falhas completas do sistema.

Convidamo-lo a ler as informações que compilámos sobre este assunto. Junte-se a nós enquanto exploramos os aspectos cruciais do design PDN em PCBs através do nosso guia.

O significado do PDN no design de PCB

Manter a integridade da energia no design de PCB é um desafio que cresce a cada iteração de design. À medida que as tensões de núcleo diminuem para 1,2 V e menos, as exigências de corrente aumentam inevitavelmente, levando a um aumento da queda de IR (queda de IR = I * R). Além disso, o impulso para uma eletrónica mais compacta exige menos camadas e designs de circuitos mais densos, deixando menos espaço para as redes de alimentação. As vias introduzem complicações adicionais, criando frequentemente um efeito de "queijo suíço" nos planos de potência.

A vida de um projetista de PCB está repleta de desafios PDN - interpretar instruções variadas de projectistas de hardware ou engenheiros de integridade de energia que chegam através de diferentes canais de comunicação, como e-mails e chamadas, ou sabedoria convencional. Estas directivas têm de ser assimiladas e aplicadas em várias fontes de alimentação. Depois disso, o projetista enfrenta outros pedidos para minimizar o tamanho, reduzir camadas e componentes, muitas vezes dentro de prazos impraticáveis.

Considerações sobre interferência electromagnética (EMI)

À medida que as velocidades dos circuitos aumentam, a suscetibilidade a EMI de fontes internas e externas pode tornar-se uma questão mais premente. Para atenuar os problemas relacionados com a EMI, a configuração estratégica dos planos de alimentação e de terra pode proporcionar uma proteção eficaz.

Resolver problemas de ressalto no solo

A comutação simultânea de sinais digitais pode resultar em ruído de comutação simultânea (SSN) ou ressalto de terra. Esta é uma ocorrência típica em barramentos de memória ou de dados e pode levar a que os níveis de sinal não regressem ao seu nível de referência de terra pretendido, fazendo-os saltar acima dele. 

Este ruído pode interferir com o funcionamento correto do circuito e pode induzir falsas comutações. Um PDN robusto minimiza esses efeitos estabilizando o nível do solo.

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Gerir as oscilações de potência

O ruído ou as ondulações também podem ser gerados pelas acções de comutação da fonte de alimentação, conduzindo a diafonia nos circuitos adjacentes e afectando negativamente a integridade do sinal nesses circuitos.

Definição da impedância PDN em PCB

Um PDN engloba todos os componentes ligados aos carris de tensão e de terra, incluindo os planos de potência e de terra, os barramentos de interligação, os condensadores de desacoplamento que promovem a estabilidade da potência e quaisquer elementos de cobre ligados aos carris de potência primária. A impedância PDN inclui efeitos parasitas, como a capacitância e a indutância das ligações aos circuitos integrados (CI).

Os principais elementos parasitas que influenciam significativamente a impedância PDN incluem:

  • Capacitância do plano - Capacitância existente entre as camadas planas do PDN.
  • Indutância do condensador - Indutância parasita dos cabos do condensador, que afecta a auto-ressonância.
  • Indutância de traço - Contribuições indutivas dos traços fornecedores de energia para o PDN global.

Porque é que a impedância PDN é importante no design de PCB

A importância da impedância PDN é bem conhecida entre os projectistas de alta velocidade e alta frequência e, em breve, todos os projectistas terão de adotar este conhecimento com o avanço da tecnologia. Aqui consolidamos o impacto crucial da impedância PDN no comportamento da PCB:

Implicações do ruído do barramento de alimentação

As correntes transitórias podem causar flutuações de tensão ou ondulações na sua placa de circuito impresso, o que é diretamente influenciado pelo perfil de impedância do PDN em diferentes frequências.

Amortecimento das oscilações do barramento de potência

As oscilações em anel ou sub-amortecidas podem tornar-se evidentes no barramento de potência, potencialmente resultantes de um dimensionamento incorreto dos condensadores de desacoplamento ou da negligência das suas frequências de auto-ressonância.

Necessidade de uma dissociação adequada

Os condensadores tradicionais são cada vez mais incapazes de proporcionar um desacoplamento suficiente em PCB de lógica rápida devido às suas frequências de auto-ressonância limitadas (cerca de 100 MHz). Para compensar, os projectistas estão a tirar partido da capacitância interplanar e de condensadores mais recentes com frequências de auto-ressonância na gama dos GHz para conseguir um desacoplamento adequado em aplicações de PCB de alta velocidade e alta frequência.

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