תכנון לוחות מעגלים מודפסים התומכים בתחומים מרובים של מתח הוא משימה מורכבת המשפיעה ישירות על שלמות האות, תאימות אלקטרומגנטית, ואמינות מערכת כוללת. כמו אלקטרוניקה מודרנית משלבת פונקציונליות צפופה יותר ויותר - ממעבדים דיגיטליים מהירים במהירות גבוהה וחיישנים אנלוגיים לניהול כוח ICs - היכולת לפלס מטוסי כוח הופכת ביעילות מיומנות קריטית עבור מעצבי כוח הוא לא רק טכניקה פריסה; זוהי אסטרטגיה בסיסית עבור מתחים ומניעה מזיקה, אפילו מרעשים של פעילות גופנית, ללא הפרעה, אפילו ממתחים, למנוע יעילות, ללא תקלות, ללא תקלות, או הפרעה הנוכחית, או הפרעה, אפילו מרעישה יעילה.

מאמר זה מספק מערך מקיף של הנחיות להשגת פלח מטוס יעיל במערכות PCB מרובות וולטון.זה מכסה את העקרונות הבסיסיים, שיטות עיצוב שלב אחר צעד, טכניקות מתקדמות ושיטות אימות.אם אתה מעצב מודול קומפקטי IoT או לוח בקרה תעשייתי מורכב, ההמלצות האלה יעזרו לך ליצור רשת הפצה כוח חזק שעומדת הן ביצועים והן בדרישות תאימות.

הבנה של מטוס הכוח

פלח מטוס כוח מתייחס לחטיבת מכוונת של רשת ההפצה של כוח ה- PCB לאזורים מבודדים מבחינה חשמלית, כל אחד שהוקצה לתחום מתח ספציפי. במערכת רב-עונית - לדוגמה, אחד באמצעות 3.3 V, 1.8 V, ו-1.2 רכבות V - מטוס כוח מוצק יחיד יאפשר זרם מכל התחומים לצמצום, יצירת נתיבי הפיכה לא רצויים שמציגים או הפסקות פיזיות, באופן יעיל, למזער את הניתוקציה של מטוסים משותפים, באופן יעיל של צינורות נחושת.

היבט חיוני של פלחציה הוא להבטיח שלכל תחום מתח יש התייחסות הקרקעית המקבילה שגם היא מפצה כראוי.טעות נפוצה היא להשתמש במטוס קרקע רציף אחד לכל התחומים; זה יכול ליצור לולאות קרקעיות ולאפשר רעש מתחום אחד להפיץ לתוך אחר.במקום, מעצבים לעתים קרובות לחלק את הקרקע לתוך פלחים המשקפים את המטוס, או להשתמש בסיס מוצק עם מיקום אסטרטגי של מיקומים וסימנים מעברים, תלויות של תאים על פני השטח הנוכחי.

המונחים: key Terminology

  • (ב) ,0) ,Voltage domainFLT:1 - אזור של PCB שבו כל הרכיבים פועלים מאותה רכבת כוח.
  • (ב) ,0) ,Power Planeve 1:1 , שכבת נחושת מתמשכת (או חלק ממנה) המוקדשת להפצת מתח אספקה ספציפי.
  • (ב) ⁇ :0) ,הפעולה של יצירת פערים פיזיים במטוס נחושת לבודד מתח או אזורי קרקע שונים.
  • (ב) ,0) ,2 ⁇ (מלשון) , ערוץ חתך או חרק המפריד בין שני אזורים מוליכים באותה שכבה.
  • (ב) ,0) הפוך את הנתיב הנוכחי של תוואי 1:1 - הדרך שבה זרמי אות חוזרים למקור שלהם באמצעות מטוס ההתייחסות; התייחסות רציפה היא קריטית לאמינות האותות.

יתרונות של אספקת חשמל נכונה

כאשר מבוצע כראוי, פלח מניב כמה שיפורים משמעותיים בביצועים:

  • (FLT:0)התערבויות אלקטרומגנטיות (EMI)veFLT:1) - על ידי מימון גבוה החלפת זרמים ללחות מוגדרות, פלח מונע מהם להתקרר לחלקים אחרים של הלוח או הסביבה החיצונית.זה חשוב במיוחד עבור עיצובים שצריכים לעבור את FCC או גבולות פליטת CIS.
  • (ב) כל תחום מתח רואה דרך של העצמה נמוכה יותר של הציפוי והחצר, צמצום פערי המתח והנחישות תחת תנאי עומס טרנסי.
  • (FLT:0) ⁇ של מעגלים אנלוגיים /RF רגישים ,(FLT:1) - רעש דיגיטלי ממיקרובקרים ו- FPGAs מונע משחיתות אותות אנלוגיים ברמה נמוכה, שמירה על יחס של אות לרעש ומניעת תנודות לא רצויות.
  • (ב) ,0) הוכחו בעיות לפתרון ושיפוץ מחדש של ה- 1 (כאשר מטוסי חשמל מופרעים בניקוי, קל יותר לבודד חלק שגוי לבדיקות או לתיקון מבלי להשפיע על שאר הלוח.
  • (FLT:0) שיתוף עם תקני בטיחות 1(FLT:1) - בעיצובים רפואיים או תעשייתיים, פלח יכול לעזור לעמוד בדרישות המצטפות וההנקה בין שיעורי מתח שונים (למשל, SELV לעומת מעגלים המחוברים העיקריים).

הנחיות להפעלה יעילה

Define Clear Voltage Domains מוקדם

במהלך שלב הדחיסות והריצוף הראשוני, ממפה את כל המעקות ואת מרכיבי הקבוצה שחולקים את אותה היצע.הגדרה מוקדמת זו מנחה את המיקום של הרגולטורים, נקודות כניסה כוח, ואת היקף הפיזי של כל פלח מטוס.עד את העודף הנוכחי, הסובלנות, ואת התוכן התדירות עבור כל דומיין - מידע זה יסיע החלטות על גודל המטוס, נחושת, ו decoupling capacit.

השתמש בטכניקות בידוד פיזי

צור חריצים בידוד בין תחומי מתח שונים על ידי הסרת נחושת (לחיצת) פער של לפחות 10-20 mil (0.25-0.5 מ"מ) על שכבת כוח. עבור דומיינים גבוהים או גבוה, להגדיל את הפער ל -30 mil או יותר. אלה חריצים למנוע זרם DC בין תחומים וגם להגדיל את הניתוק בין אותם בתדרים גבוהים.

יישום נכון לכל דומיין

כל דומיין מתח צריך להיות אזור הקרקע שלו.You יכול להשיג את זה על ידי פיצול המטוס הקרקע באותה דפוס כמו מטוסי הכוח, או על ידי שימוש מטוס קרקע מוצק עם לוחות להציב אסטרטגית כי מדריך להחזיר זרמים. גישה היברידית פופולרית היא להשתמש מטוס קרקע רציף עם "מוטות" כי מבודדים את הקרקע של כל דומיין, ולאחר מכן לגשר את moats עם נמוך-אימפריאליסטים (קליד) על ידי אותות נמוכים (קליד) על ידי מעברים) גם סימנים נמוכים של DC.

4.לשמור על קלירנות בין סגמנטים

קפיאנטים פארסיטיים בין פלחי המטוס הסמוכים עולה עם ספיגה קרובה יותר, אשר יכול זוג רעש על פני המחסום. לשמור על נקה של לפחות 15 חלב עבור תחומים נמוכים, לשקול שכבות עבות יותר או גליונות טרום-טראג נוספים כדי להפחית הפיכה קיבולית.עבור מסילות מכוממות גבוה כמו 12 V או 48, להגדיל את הנקה כדי לפגוש IPC-22 מתח גבוה (250 טבלאות גובה).

אופטימיזציה של Via Placement ו-Stitching

כל דרך זה מתחברת ללוח חשמל מוסיפה אינדוקציה.כדי למזער את ההשפעה, לשמור על מספר דרך בין capacitor decoupling לבין פלח המטוס המשויך שלו נמוך ככל האפשר.כאשר אותות חייבים לעבור מתחום כוח אחד למשנהו (למשל, אוטובוס I2C מ-3.3 V חיישן V), מקום "מקצץ" קרוב ככל האפשר לנתיב נמוך יותר, למנוע את המעבר הזה כדי להפחית את המיקום התחתון.

מקום ה-Cacitor Capacitor Placement

יש להציב כקרוב ככל האפשר את נקודות הכוח של מכשירים פעילים ומתחבר ישירות למקטע מטוס הכוח הרלוונטי.עבור עיצובים רב-התולים, אל תשתף קפידיים מרתיעים על פני תחומים.עבור כל רכבת מתח, להשתמש בתערובת של ערכי קיבול מתאימים (למשל, 10 מיקרו, 0.1 מיקרוF, ו- 100F) כדי למנוע קיבולת רחבת טווח של קרקעית-המנע מפלט משותף.

עיצוב הטוב ביותר

תוכנית סגמנטציה במהלך מקום

אל תשאירו את הקטעים לשלבים מאוחרים יותר. במהלך מיקום רכיב, רכיבים קבוצתיים על ידי דומיין מתח ככל האפשר. Place מתח רגולטורים ליד קצה התחום שלהם כדי למזער את אורך של עקבות עתירי גבוה. שמור מכשירים דיגיטליים רועשים הרחק מקטעים אנלוגיים רגישים, ואם אפשר, להקצות אותם צדים מנוגדים של הלוח או שכבות שונות.

שימוש ב- Multi-Layer PCB Stack-Up אסטרטגית

ערימה טיפוסית של עיצוב רב-וולטאי עשוי להשתמש במטוס קרקע מיד מתחת לשכבת האות העליונה, אז שכבת מטוס כוח מחולקת למספר רב של פלחים, ואחריו מטוס קרקע אחר, ולבסוף שכבת אות תחתית.המטוסים הקרקעיים הפנימיים מספקים התייחסות רציפה לסימנים וגם להגן על הפיצות של המטוס.עבור לוחות עם יותר מארבע שכבות, לשקול שתי שכבות פנימיות להתפלגות חשמל - עבור רכבת אחורית גבוהה יותר מגובה (או ממרחק של 3 ליטר).

סימולציה לפני Prototyping

כלי סימולציה אלקטרומגנטיים (למשל, Ansys SIwave, Altium PDN Analyzer, או קוד פתוח כלים כמו OpenEMS) יכול מודל פרופיל של רשת הפצת החשמל וחיזוי שיאים של התחדשות הנגרמת על ידי אנטנה משבש משבטים.סימסת את המתח DC (ירידה) ואת ה- ACance עד כמה מאות מגה-הרץ תשומת לב לכל פסגות חד-פעמי-מדומים, יכול להוסיף הילוך מסוים-מסוגים-מסוגים-מדומים-מסוגים-מדומים-מדומים-מדומים-מסוגים-מסוגים-מדומים-מסוגים-מסוגים-מדומים-היתר-מדומים-מסוגים-מסוגים-מסוגרים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגרים-מדומים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגדים-מסוגרים-מסוגדים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגים-מסוגדים-מסוגדים-מסוג

עקבו אחרי Industry Standards

בהתייחסות ל- IPC-2221 (סטנדרט גנטי על עיצוב לוח הדפסה) ואת הקטע שלה על המוליכים התכווצים להתמוטטות מתח.עבור הנחיות מהימנות מהירות גבוהה של אותות מהירות, להתייעץ עם IPC-2251 (מדריך עיצוב עבור יישומי מועצת המנהלים הדפסה במהירות גבוהה). בנוסף, סדרת IEEE 1101 על תקני מכניים יכול להודיע על לוח התכנון שלך ומיקום החורים העולים יחסית לנקודות כוח.

אתגרים משותפים וכיצד להתגבר עליהם

אתגר 1: אות מעבר לסגמנטציה

כאשר יש צורך לחצות מתחום כוח אחד למשנהו (למשל, GPIO בעל רמה), זרם החזרה אינו יכול לזרום ישירות על פני פער המטוס. במקום, הוא חייב למצוא דרך סביב החריץ, יצירת לולאה גדולה אשר קורנת.

אתגר 2: ניהול תרמית במטוסים

מטוסים מחוננים להפחית את כמות הנחושת הזמינה להפיץ חום. מסילות מקבילות גבוהה עלולות לחוות כתמים חמים מקומיים ליד הרגולטורים או טרנזירים כוח.FLT:0;0;0; solution: FigFLT:1 להגדיל נחושת (2 oz או יותר) עבור שכבות מתקדמות, להוסיף תרמי באמצעות שכבות קרקעיות פנימיות, ולהשתמש בנחושת בצד המחוברת למטוס באמצעות מספר רב של צינורות מתכת או צינורות קיצוניים.

אתגר 3: שמירה על אינטגריטית נתיב החזרה ל-High-Speed Signals

אם אות מהיר (למשל, גיביט Ethernet או זיכרון DDR) מתייחס למטוס קרקעי מפלט, זרם החזרה שלו עשוי להיות נאלץ להתחקות סביב חריץ, גרימת עיוות אות ועודף EMI.FLT:0Solution: FLT:1 לוודא כי אותות במהירות גבוהה תמיד יש התייחסות מטושטשת ישירות מתחת לפח; לא ניתן לחלק את אותות הקרקע (לא במהירות) כדי למנוע אותות כפולים לחלוטין על פני השטח הקדמיים).

אתגר 4: מבחן עיצוב (DRC) הפרות של Isolation חריצים

כמה כלים של פריסת PCB מתקשים לבדוק את ההקצאות על פני חריצים מעוצבים באופן לא סדיר. Solution: FLT:1 השתמש בהגדרות מטוס מבוסס פוליגון עם כללים ברורים מפורשים.דRC ובדיקה חזותית הם עדיין חשובים; לעסוק יצרן הלוח שלך מוקדם כדי לאשר כי חריצים שלך הם פרודוקטיביים.

טכניקות מתקדמות

Star-Point Grounding

עבור עיצובים בעלי חשיבות רבה מאוד (למשל, רכישת נתונים מדויקים), לשקול שימוש בסידור קרקעי של כוכבים.טכניקה זו, כל קרקע של דומיין חוזרת לנקודה פיזית אחת (טרמינל בורג או גדול באמצעות אשכול) מטוסי הכוח מבודדים לחלוטין למעט חיבור יחיד זה, אשר כוחות להחזיר את זרמים להתכנסות בצומת אחד, ביטול לולאות קרקעיות.

Capacitance

במקום הצבת הרבה קפקאים דיסקרטיים, אתה יכול ליצור שכבה קיבולינטיה קבור על ידי שימוש דיאלקטרי דק מאוד בין פלח כוח וחזרה הקרקע שלה. זה capacitance מבוזר מספק נמוך inductance decoupling עד כמה ג'יגהארנץ, שהוא אידיאלי עבור תחומים דיגיטליים מהירים.

⁇ ⁇

כאשר שני תחומים מתחים חייבים לשתף מטוס אבל לפעול בתדרים שונים מאוד (למשל, אנלוגי 5 V רכבת ודיגיטל 3.3 V רכבת), אתה יכול להצטרף אליהם עם מפרט bead.הדבורה מציגה מכשול גבוה בתדר הרעש, ביעילות הוא בידוד התחום תוך כדי לאפשר ל- DC הנוכחי לזרום.

סימבול ו-Verification

לאחר השלמת פריסת הלוח, בצע בדיקות אלה לפני שליחת העיצוב לשיפוץ:

  • (FLT:0)DC IR ירידה בניתוח: 1FLT:1 Simulate את הירידה מהתפוקה הרגולטורית לעומס הרחוק ביותר.להבטיח שהירידה היא פחות מ-1–3% מהמתח הדומינינלי, בהתאם לסובלנות של הרכבת.
  • (FLT:0) פרופיל של מוטציות: FLT:1exe a Plane resonanceסימולציה (נקרא גם "ניתוח יושרה כוח") כדי לזהות שיאים. Add or Moding capacitors כדי לשמור על עכבות מתחת ליעד (למשל, 0.1 ⁇ עבור רכבת ליבה).
  • (FLT:0) הפוך ניתוח נתיב נוכחי: FLT:1rov להשתמש ב- 3D שדה פתרון כדי לדמיין את זרמי החזרה של אותות קריטיים.
  • סריקות FLT:0 (pre-compliance): אנדרל 1 (אם אפשר, לבנות אב-טיפוס ולבצע סריקה של שדה קרוב לזהות מבנים.

לקריאה נוספת על מתודולוגיית הסימולציות, ייעוץ: 0 (א) תיעוד של שלמות הכוח של אלטיום 1FreaLT או FLT:2IEEE EMC תקני החברה

מסקנה

פלח מטוס יעיל הוא אבן הפינה של עיצוב רב-צמיחה חזק של PCB.על ידי מסלקת באופן שיטתי את תחומי המתח, מתן נתיבי החזרה ייעודיים, וליישם את ההנחיות המפורטות במאמר זה - החל מוקדם ריצוף לסימולציה סופית - מהנדסים יכולים להפחית באופן דרמטי את EMI, לשפר את השלמות כוח, ולהשיג הצלחה ראשונה עקפה.הטכניקות חלות באותה מידה על שני לוחות פשוטים ו עשרים שכבות מורכבות - לזכור גישה אחת, כל אחת, כל תדרים על פני מערכת מדידה, על בסיס תדרים, על פני מידת הרגישות שלך, ואפקטים, ואפקטים, על פני מערכת מדידה, על בסיס תדרים, ואפקטים, על בסיס תדירות, והצלחה מסוימת.

בעוד אלקטרוניקה ממשיכה לדרוש ביצועים גבוהים יותר בטביעות רגל קטנות יותר, מקטעי כוח יישארו מיומנות חיונית.להישאר נוכחי עם סטנדרטים מתפתחים כגון IPC-22C ו- IPC-2251, ומנף כלים סימולציה מודרנית כדי לאמת את ההחלטות שלך.עם תכנון קפדני ודבקות בפרקטיקה הטובה ביותר אלה, אתה יכול לספק PCB ביצועים אמינים, ביצועים גבוהים שעומדים בדרישות המחמירות ביותר.