ההשפעה של Power Distribution Network Design on EMC Performance

העיצוב של רשת הפצה כוח (PDN) מעצב ישירות את ביצועי תאימות אלקטרומגנטית (EMC) של מערכות אלקטרוניות מודרניות.A PDN מעוצבת גרועה יכול לקרינה של התערבות אלקטרומגנטית מוגזמת (EMI), לגרום לבעיות שלמות אות, ומוביל לכשלים רגולטוריים או תקלות מערכת.conversely, a-engineered PDNs מדכא רעש, מצמצם את פליטות, ורגישויות קשות לתחומים חיצוניים.

מימון רשתות אספקת חשמל

תפקיד מרכזי של רשת הפצת חשמל הוא לספק אספקה נקייה ויציבה לכל מרכיב פעיל על לוח מעגלים מודפס (PCB) או בתוך מערכת. PDN מורכב של הרגולטורים מתח, רובים ומפלטים, כוח ומטוסי קרקע, עקבות, דרך, וחיבורים. כל אחד מהם תורם לפרופיל המוק כולו, שנראה על ידי המעגלים המשולבים (IC).

מנקודת מבט EMC, PDN הוא מקור וקולטן של אנרגיה אלקטרומגנטית.דיגיטל ICs לצייר הנוכחי בהתפרצויות קצרות, גבוה ⁇ במהלך מעברים. זרמים טרנסים אלה חייבים להיות מסופק עם מינימלי מתח droop אזור לולאה כדי למנוע קרינה אנרגיה.האימפולס של PDN מול תדירות המאפיין קובע ביעילות כיצד זה יכול לספק זרמים אלה, ומה תדרי רגרסנס יכול להתרחש פליטות.

הבנת התפקיד של PDN ב-EMC דורשת היכרות עם שלושה תחומים הקשורים: יושרת חשמל (PI), יושרת אות (SI), והתערבות אלקטרומגנטית (EMI) תחומים אלה מתמזגים דרך נתיבי החזרה המשותפים ומטוסי ההתייחסות. לדוגמה, עיצוב PDN גרוע יכול להזריק רעש על קווי אות, דה-ידי דה-סי וגורם פליטות לא מכוון.

פרמטרים מרכזיים המשפיעים על EMC

כמה פרמטרים מגדירים את הביצועים של EMC של PDN:

  • (FLT:0) ,Target Impedance: FLT:1; המכשול המקסימלי של PDN צריך להציג ל- IC על פני טווח התדר התפעולי שלה.A.A.A.A.A.A. נמוכה יותר (למשל, מתחת 0.1 הומ לדיגיטל מהיר) מפחית את המתח מרוטב ומקרינה פליטות.
  • (FLT:0) פסגות של התחדשות מקבילים: 1FLT:1, בין אספקת מטוסים כוח לבין קיבול של קוצים מרתיעים יכול ליצור ספיגים עתירי השפעה גבוהה שבו רעש הוא קל ביותר קורנ.
  • (ב) [15] ⁇ : ⁇ : ⁇ : ⁇ 1 (ה) ,ההחינוך של הלולאה הנוכחית שנוצרה על ידי IC, הדה-קופלינג המקומי שלה, ואת נתיב החזרה.
  • (ב) ,0) ,Plane Impedance: FLT1 ההתנגדות והחינוך של מטוסים קרקעיים במקומות שונים. Thinelectrics ו-Flowings נמוך יותר, אך גם משפיע על קיבול.

השפעת העיצוב PDN על ביצועי EMC: ניתוח מפורט

כל בחירה בעיצוב ב- PDN משפיעה על יכולת המערכת לעמוד במפרט EMC. להלן אנו חוקרים את הגורמים הקריטיים שהוזכרו במאמר המקורי לעומק גדול יותר, עם תובנות כמותיות והדרכה מעשית.

שליטה

שמירה על אימפולס עקבי, נמוך על פני ספקטרום התדר הוא חשוב על דיכוי הן גורמות והן קורנות פליטות. בתדרים נמוכים (DC למספר MHz), מודול הרגולטור המתח (VRM) שולט באימפולס. בתדרים גבוהים יותר, הדחף מתגלגל ברגע שהפלט של VRM הופך משמעותי, ו decoupling capacitors על המעבר בין VRM ו-Frepertson לעתים קרובות יכול להיות גבוה יותר.

מהנדסים יכולים להשיג שליטה יעילה על ידי:

  • בחירת VRMs עם תפוקה נמוכה ותגובה חולפת מהירה.
  • שימוש במספר רב של קפקאים במקביל לצמצום החידושים המקבילים של סדרת ההרחבה (ESL).
  • פיזור של קפקאים קרוב לעומס (ב-1-2 מ"מ של כל סיכה).
  • הוספת ferrite beads או סדרה מתנגדים לחזרות לחות.

כלי סימבול כגון SPICE או 3D אלקטרו-מרפאים מסייעים לדמיין את פרופיל הדחף. מטרה מונעת של 10 מיליומס או פחות עד 1 GHz נפוץ עבור עיצובים דיגיטליים מהירים, בעוד מערכות אנלוגיות מהירות נמוכה עשויות לסבול ערכים גבוהים יותר.

Decoupling Capacitors: Placement, Value, and Stitching

מעכבי קיבול מאחסן את המטען המקומי ולספק נתיב להורדת סטיות גבוהות, הפחתת אזור הלולאה ומניעת רעש מהפצתו על פני הלוח.אפקט נטו על EMC הוא דרמטי: decoupling לא תקין יכול להגדיל את פליטות קורנות על ידי 10–20 dB.

(ב) תקנות ה-EMC: FLT:0)

  • מניחים את הערך הקטן ביותר capacitor הקרוב ביותר ל- IC Power pin (בדרך כלל 0.1 μF או 0.01 μF בתדרים גבוהים).
  • השתמש במספר רב של קפקאים זהים במקביל ל- ESL נמוך יותר.לדוגמה, ארבעה 0.1 קפיפיפונים במקביל יש אחד-ארבעה את ESL של חלק אחד.
  • כביש כל מסוף הקרקע של קפיטלטור ישירות אל המטוס הקרקע באמצעות קצר (מרחק <0.5 מ"מ) דרך אינדוקציה עצמה יכול לשלול את היתרון של קיבולטור.
  • להימנע מצלילים ארוכים המחברים את כריית הקפיטור אל המטוס; להשתמש בטכניקות ייעודיות באמצעות פנקס או באמצעות adjacent-pad.

(FLT:0)Valueסלקציה: 1FLT:1 אף אחד קיבוליטור לא יכול לכסות את הטווח כולו מ- DC עד 10 GHz. בנק של קפקאים עם תדרים מחוסנים (למשל, 10 μF, 1 μF, 0.1 μF, 0.01 מיקרוF) הוא הכרחי.

(FLT:0)Bulk לעומת גבוה ⁇ : ⁇ F1 ; Bulk capacitors (tantalum, אלומיניום אלקטרוליטי) אספקת מטען במהלך זמני איטי תדרים נמוכים. Ceramic capacitors (CC) מטפל באמצע עד גבוה ⁇ decoupling. עבור תדרים גבוהים מאוד (מעל 100 MHz), המטוס intrinic capaciance בין שכבות כוח הופך להיות דומיננטי.

מיפוי של שמס ו-Return Paths

התעלות היא כנראה הגורם החשוב ביותר ב- PDN EMC. מטוס קרקע מוצק, לא מופרע מספק נתיב החזרה דלת חינוך נמוך לכל אותות וזרםי חשמל.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

  • השתמש לפחות שכבת מטוס קרקע רציפה אחת ב- PCB רב-שכבות.עבור עיצובים מהירים, שני מטוסים קרקעיים כריכים מטוס הכוח הוא אידיאלי.
  • (ב) לעולם אל תפנה אותות מהירים על פני פיצול במטוס הקרקע.FLT:1, ההחזר הנוכחי חייב detour, הגדלת אזור לולאה ופליטת מוות משותפת.
  • אם פיצול הוא בלתי נמנע (למשל, לבידוד בין סעיפים אנלוגיים ודיגיטליים), לגשר על הפער עם חרוזים מפרטים או עקבות של התנגדות נמוכה, ולשמור אותות מהחלק.
  • השתמש בכוכב או קרקע רב-נקודות עבור ICs של חתימה מעורבת כדי למנוע רעש דיגיטלי מעיגולים אנלוגיים ממזהמים.

המרחק בין מטוס הכוח לבין מטוס הקרקע משפיע באופן משמעותי על הציפוי המופץ של PDN. Thinner dielectrics (למשל, 100 מיקרומטר FR4) לספק קפיות מטוס גבוה יותר ואימפולס נמוך יותר, שיפור קידוד גבוה.עם זאת, דיאלקטרי גם להפחית את הדחף של קו השידור שנוצר על ידי המטוס, אשר עלול להוביל לעלייה חוזרת אם לא לחי.

Trace Layout: Width, אורך, ו-Ring

יש להתייחס לעקבות כוח וקרקע כקווי שידור.החינוך הפרסיטי וההתנגדות שלהם משפיעים ישירות על ירידה במתח ו-EMI.

(ב) ,0) , ⁇

  • השתמש בצלילים רחבים או במטוסים שלמים להפצת חשמל.A 1 oz נחושת במרחק של 100 מיליון חלב יש כ-50 NH / inductance; מטוס יש בערך 0.7 nH / בריבוע.
  • שמור על אורך עקבות קצר ככל האפשר, במיוחד עבור חיבורים קיבולים מלוטשים גבוה.כל מילימטר של עקבות מוסיף - 1 nH של אינדוקציה.
  • כוח כביש וקרקע יחד כזוג קונדר למזער את אזור הלולאה.לדוגמה, עקבות כוח על מטוס קרקע יוצר מיקרו-סטריפ עם אימפולס מבוקר ואזור לולאה מופחת.
  • להימנע פינות חד 90 מעלות; להשתמש בקתות 45 מעלות או עקבות מעוקלים כדי להפחית את EMI.

בלוחות מרובי-שכבות, משלוח החשמל צריך להיות דרך שכבות ייעודיות ולא עקבות בכל מקום אפשרי.מטוסי כוח לספק תנופה נמוכה יותר באופן טבעי ליצור קפיאוף מקביל גדול עם המטוס הקרקע הסמוך.

אסטרטגיות עיצוב מתקדמות לשיפור EMC

מעבר לגורמי היסוד, כמה טכניקות מתקדמות יכולות לשפר עוד יותר את ביצועי EMC של PDN. אסטרטגיות אלה דורשות תכנון זהיר בשלב העיצוב המוקדם ולעתים קרובות כרוכות בסימולציה.

שימוש במטוסי קרקע ואיים כוח

מטוסים מתמשכים הם חיוניים, אבל לפעמים מעצבים צריכים לחלק תחומים שונים של מתחים. איי חשמל - אזורים נפרדים של מטוס כוח המוקדש אספקה שונה (למשל, 3.3V, 1.8V, מקביל 5V) - ניתן להשתמש בהם תוך שמירה על מטוס קרקע מתפתל.המטוס הקרקע מתחת לאי הכוח לא צריך להיות שבור.

עבור עיצובים בעלי חתימה מעורבת, המטוס הקרקעי נשמר לעתים קרובות מוצק, ואת הקרקע האנלוגי מחובר לקרקע דיגיטלית בנקודה אחת (לעתים קרובות ליד ADC או DAC) זה מונע לולאות קרקע ועדיין מספק נתיב החזרה נמוך.

המונחים: Noisy and Sensitive Circuits

מבחינה גופנית מפרידה בין מעגלים דיגיטליים עתיריים, מהירים (מעבדים, FPGAs, מעבר הרגולטורים) מ מעגלים אנלוגיים או RF רגישים מפחיתים את הקרוסדור וההפצה של כוח צריך להיות מודרך כך מעגלים רועשים ממוקמים ליד קלט הכוח של הלוח, בעוד מעגלים רגישים נמצאים רחוק יותר עם decoupling ייעודי שלהם מסנן.

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇

  • להחליף ממירים ואת המחנכים הקשורים שלהם הרחק מקטעי אנלוגי או RF.
  • השתמש במודולים נפרדים של מתח רגולטורי עבור רכבות דיגיטליות ו אנלוגיות.
  • נתיב של עקבות כוח נקיות באמצעות טבעות שמירה או עם תפרים קרקעיים לאורך גבול ההפרדה.

מסנן: פריט באדס ופילטרים Pis

פריט חרוזים משמשים נרחב כדי לדכא רעש גבוה על מעקות כוח.הם פועלים כמו מסננים נמוכים, המציגים תנופה גבוהה בתדרים מעל תדירות החיוב העצמי שלהם.עם זאת, בחירה לא נכונה יכולה לגרום לחזרות עם קפיקט במורד הזרם, המוביל לרעש.

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ובחירה:0; 1FLT (ה) בחר בודה עם אימפולס מקסימלי בתדר הרעש (למשל, 100 MHz לרעש דיגיטלי משותף).
  • (FLT:0) פילטרים:0; ⁇ 1:1 A pi מסנן (capacitor-ferrite-capacitor) מספק תנופה חזקה יותר מאשר חרוזים לבד.

עבור פליטות , מסנני קו על מחבר כוח קלט (למשל, חנקי מוות נפוצים, X / Y capacitors) הם חובה עבור סטנדרטים רגולטוריים רבים.

סימולציה ובדיקה של PDN עבור EMC

עיצוב EMC מודרני לא יכול להסתמך רק על כללי האגודל; סימולציה חיונית לאמת ביצועים PDN לפני אבטיפוס.סוגים של סימולציה מפתח כוללים:

  • (ב) [15] ניתוח הירידה של ה-IR: 1FLT: 1 מבטיח טיפות מתח על פני ה- PDN נמצאים בגבולות תחת עומס מקסימלי.
  • (FLT:0) ,Impedance לעומת תדירות:FIRLT:1 Calculates את פרופיל ה- PDN מ- DC ל- 10 GHz, זיהוי מחדשים.
  • (ב) סימולציה מתקדמת:0) סימולציה מתקדמת: 1FLT:1 מודלים את התוספת הנוכחית של IC והערכה של זרם מתח קרועה לולאה.
  • (FLT:0) סימולציה אלקטרומגנטית (EM): FIRLT:1 סימולציה גלי מלא (למשל, באמצעות HFSS, CST) כדי מודל קרינה פליטות מעבורות PDN ונקודות מטוסים.

בדיקות הן קריטיות באותה מידה.צעדים כוללים:

  • ניתוח של PDN עם מנתח רשת וקטור (VNA) ותיקון המחקה את נקודות הכוח של IC.
  • באמצעות בדיקות ליד שדה לזהות כתמים חמים של פליטה על לוחות אבטיפוס.
  • ביצוע בדיקות תאימות מלאות בתא סמי-כוכי לפי הסטנדרטים כגון CISPR 32 או FCC חלק 15B.

השילוב של סימולציה ובדיקות רציונטיביות מאפשר למעצבים לזהות חולשות PDN - כגון capacitor חסר או שחזור מלמטה - לפני הייצור.

דוגמה מעשית: שיפור EMC באמצעות אופטימיזציה של PDN

שקול ארבע שבבות עם microcontroller רץ ב 200 MHz וממשק חיישן אנלוגי.מדידות ראשונית מראה פליטות קורנות מעל גבול Class B על ידי 8 dB ב 400 MHz. PDN מורכב של אחד 0.1 μF capacitor עבור כוח סיכה, 10 μF רוב טנטלום capacitor, ומטוס רציף על 2.הכוח הוא בדרך על 4 דק.

(ב) ◄ ⁇

  1. סימולציה של אימפולס מגלה שיא של התחדשות ב -350 MHz הנגרמת על ידי שילוב של ESL של capacitor ואת המטוס אינדוקנס.
  2. הכוח עוקב בין הפלט VRM לבין המיקרו מוסיף -30 nH של אינדוקציה, יצירת נתיב של השפעה גבוהה.
  3. קפקאים Decoupling ממוקמים 15 מ"מ ממערך כוח IC, הוספת אינדוקציה parasitic.

(ב) ◄ ⁇

  1. שינוי הכוח עוקב אחר מטוס כוח ייעודי על שכבה 4, צמצום ניכוי לולאה על ידי גורם של 10.
  2. הוסף מערך של ארבעה 0.1 מיקרוF 0402 capacitors ישירות ליד סיכות הכוח של המיקרובקר, עם דרך לקרקע < 0.3 מ"מ משם.
  3. הוסף 1 μF capacitor לחשק את ההתחדשות באמצע ⁇ ו 0.01 μF capacitor עבור תדירות גבוהה יחסית decoupling.
  4. השתמש ב-ferrite bead בסדרה עם רכבת האספקה האנלוגיה כדי לבודד רעש דיגיטלי.

לאחר שינויים אלה, סימולציות מראות כי הדחף ירד מ-0.5 הומס עד מתחת 0.1 הומס עד 1 GHz. Re-measurement של אב הטיפוס מראה פליטות מופחתות על ידי 12 dB ב 400 MHz, היטב בתוך הגבולות.

מסקנה

ההשפעה של פיתוח רשת הפצה כוח על ביצועי EMC לא ניתן overstated.כל היבט - שליטה על, decoupling capacitor מיקום, ריצוף, סינון, סימולציה - יש לשקול בזהירות להשיג מערכת שעומדת בדרישות רגולטוריות וציפיות פונקציונליות. על ידי יישום האסטרטגיות המפורטות במאמר זה, מהנדסים יכולים ליצור PDNs כי הם לא רק כוח- integrity-agrity- אבל תואמים מבחינה אלקטרומגנטית.

מקורות נוספים (בתרגום חופשי:0)

  • (ב) ◄ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) .0.50: עיצוב PDN עבור EMC ב High-Speed Digital SystemsFIRLT
  • (ב) ,0)Mouser Electronics: Practical PDN Design TipsveFLT 1