А-КОНТРАКТ на выставке RADEL с 21 по 23 сентября 2020 г

|   Статьи А-КОНТРАКТ

Компания А-КОНТРАКТ приглашает на свой стенд А2-6 в павильон Н на выставке «Радиоэлектроника и приборостроение» (Санкт-Петербург, КВЦ «ЭКСПОФОРУМ»)

Далее

Новая цифровая PPL — самая маленькая в мире. Часть 1

автор Перевод: Сергей Шихов | |   Статьи А-КОНТРАКТ

Статья переведена и подготовлена к публикации в журнале "Компоненты и технологии" (№8, 2020г.) при поддержке компании А-КОНТРАКТ.

Далее

Эффективный радиус развязки

Схемы разводки питания (PDN) становятся очень важной темой. Многие разработчики обнаруживают, что проектирование должным образом поставщиков питания и обеспечение адекватной развязки для устройств являются сложной задачей, особенно теперь, когда устройства становятся все быстрее, а размеры их все меньше.

Автор Кирк Фаббри (Kirk Fabbri)

KSPT ENGINEERING CONSULTING

Схемы разводки питания (PDN) становятся очень важной темой. Многие разработчики обнаруживают, что проектирование должным образом поставщиков питания и обеспечение адекватной развязки для устройств являются сложной задачей, особенно теперь, когда устройства становятся все быстрее, а размеры их все меньше. Разработчики зачастую фокусируются на дискретных развязывающих конденсаторах, размещенных локально на элементах переключения, в надежде обеспечить требуемую емкость для текущих высоких запросов. Одним из наиболее упускаемых из виду вопросов является система разводки питания на печатной плате, и как это влияет на способность системы разводки питания развязывать элементы переключения. Приведенный ниже эксперимент обнаруживает базовый принцип, который важно учитывать при разработке структуры слоев и схемы разводки питания.

Базовая модель схемы разводки питания (PDN)

Базовая PDN включает модель регулятора напряжения (VRM), дискретные развязывающие конденсаторы, печатную плату, и любую накристальную емкость, сформированную на 1С или устройстве. О каждом из этих компонентов можно написать отдельную статью, но мы сфокусируемся на печатной плате, особенно на эффективном радиусе развязки.

Когда устройство активно, требуется электрический ток. Тип устройства (размер процесса), загрузка на драйверы ввода/вывода, как действует устройство, все это среди других факторов влияет на требуемый ток. Когда устройству требуется ток, он течет через комплексный импеданс схемы разводки питания и вызывает появление пульсирующего напряжения. Переходный ток, полученный из различных источников, включая локальную развязывающую емкость, печатную плату, дискретные конденсаторы и, наконец, модель регулятора напряжения (VRM). Время переключения этого переменного тока имеет огромную важность при попытке рассчитать, насколько эффективна PDN будет в сдерживании пульсирующего напряжения. Время переключения может быть разделен на множество гармоничных синусоидных волн на уменьшающейся амплитуде, описанной в рядах Фурье. именно здесь мы обнаруживаем важность печатной платы и ее роль в PDN.

Простейший путь представить печатную плату – это распределенная RLC сеть. Энергоемкость формируется слоями меди и диэлектриком между ними. Индуктивность формируется за счет замкнутой цепи между слоями, а сопротивление формируется площадью поперечного сечения и длины медных панелей. В Формуле 1, приведенной ниже, рассчитывается энергоемкость, где

С = энергоемкость в pF,

eo = разрешенное свободное пространство (0.225pF/inch),

er = диэлектрическая постоянная,

A = площадь (in2),

S = расстояние между панелями в дюймах (inches).

Здесь мы видим, что лучший способ увеличить энергоемкость – уменьшение расстояния между панелями или увеличение площади металлических слоев.

Эффективный радиус, при котором энергоемкость может быть использована, рассчитывается в Формуле 2 (ниже), где

r = радиус в дюймах ( inch),

t = время нарастания/спада импульса элемента переключения (ns),

er = диэлектрическая постоянная.

Глядя на данную формулу, мы можем сделать вывод, что эффективный радиус (r) уменьшается, когда либо элемент переключения становится быстрее (время уменьшается), либо диэлектрическая постоянная увеличивается.

Рис. 1. Базовая структура слоев для Эксперимента 1. Расстояние между парами слоев питания 3 mil.

Эксперимент 1: площадь печатной платы больше, чем требуемая эффективная площадь.

В этом первом эксперименте мы определим ситуацию, когда доступная площадь слоя заземления больше, чем эффективный радиус, рассчитанный по Формуле 2. На Рис.1 приведена структура слоев, использованная для эксперимента. Это 8-слойная плата с верхним/нижним слоем, тремя слоями заземления и тремя слоями под различным напряжением (1.5, 1.8, и 3.3V). Толщина диэлектрика между слоями заземления/питания 3 mil (0,75 мм), что является наиболее распространенным размером.

На Рис.2 показана простая печатная плата, созданная в Mentor Graphics HyperLynx, с площадью 16 in2 (4x4 дюйма), где Ul.l представляет VRM и U2.1 представляет сток тока. Сток тока установлен в 250 250mA с временем нарастания/спада импульса равным 250ps. В этом базовом случае оба элемента, и сток тока и VRM, соединяются со слоем 2 (VCC1_5), и относятся ко всем трем слоям заземления. Маленькие желтые кружки изображают отверстия, используемые для соединения всех слоев заземления вместе. В Равенстве 3 (ниже) показан расчёт эффективного радиуса, растянутого на площади 6.60 in2, которая значительно меньше, чем общая площадь печатной платы (16 in2).

Используя эту эффективную площадь, мы можем рассчитать эффективную энергоемкость в 2.13nF, что показано в Равенстве 4 (ниже). В этом примере энергоемкость рассчитана, базируясь на одном VCC1_5 и паре слоев заземления (слой 2 и 3), не обращая внимания на дыры от отверстий.

На Рис.3 показаны результаты этой симуляции. Максимальное шумовое напряжение обнаружено в 91.4 mV, расположенное на стоке тока.

Рис.2. Пример печатной платы с одним стоком тока (U2.1) и одним VRM (U1.1). маленькие желтые круги изображают отверстия, используемые для соединения различных слоев заземления вместе.

Рис.3. Результаты базовой симуляции, соединяющей VRM и сток тока со слоем 2 (VCC1.5). Пик шумового напряжения – 91,4 mV на стоке тока.

Эксперимент 2: Дальнейшее увеличение площади ПП

Зачастую считается, что простое увеличение площади печатной платы имеет положительный эффект на шум напряжения, так как емкость также увеличивается. После проведения симуляции в данном эксперименте, мы увидим, что это совсем не обязательно так, так как это зависит от того, больше или нет площадь слоя питания, чем эффективный радиус, рассчитанный в Равенстве 3 (см. выше).

Теперь мы взяли ПП размером 64 in2 (8 x 8 дюймов), все остальные параметры остались такими же. Результаты симуляции показаны на Рис.4 (ниже) с шумовым напряжением равным 87.1mV. Легко заметить, что дополнительная емкость слоя питания не очень значительно улучшает шумовое напряжение, то есть ее влияние лежит вне эффективной площади, базирующейся на времени нарастания/спада импульса стока тока.

Эксперимент 3: Увеличение диэлектрической постоянной, изменение расстояния между слоями.

В Эксперименте 2 мы выяснили, что увеличение размера слоя питания вне эффективной площади/радиуса имеет минимальный эффект на шумовое напряжение, созданное на стоке тока, или не имеет его вовсе. А что если бы мы увеличили энергоемкость слоя питания за счет либо увеличения диэлектрической постоянной, либо уменьшения расстояния между слоями? Один из этих факторов или оба вместе должны увеличивать энергоемкость пары слоев питания.

Сначала давайте увеличим диэлектрическую постоянную материала. Что, если мы увеличим ее на значительное число, например 20? После изменения структуры слоев для представления диэлектрической постоянной 20 на всех слоях (кроме паяльной маски на верхнем и нижних слоях), была проведена симуляция и результаты показали пиковое шумовое напряжение в 72.3mV. С первого взгляда простое обращение к Равенству 1, мы видим, что энергоемкость указывает, что мы можем ожидать получение большей разницы в шумовом напряжении, если мы будем использовать более высокую диэлектрическую постоянную. Чтобы ответить на этот вопрос, рассчитывается новый эффективный радиус с диэлектрической постоянной 20, который получается равен 0,67 дюйма, что показано в Равенстве 5. Этот радиус на эффективной площади всего лишь 1,41 дюйм2, что в сравнении значительно меньше, чем 6,60 дюймов2 , как это было в первичном эксперименте..


То, что происходит сейчас, очень интересно. В этом случае мы хотели увеличить общую энергоемкость пар питания, пытаясь далее снизить шумовое напряжение. За счет увеличения диэлектрической постоянной мы эффективно сжали эффективный радиус и, следовательно, площадь, которую сток тока может эффективно использовать. Эффективная емкость от исходной диэлектрической постоянной (4,3) приблизительно 2.13nF, тогда как новая емкость, полученная при увеличении диэлектрической постоянной до 20 составляет 2.13nF также! Проведение симуляции при таких установках дало в результате шумовое напряжение 72.3mV, что является незначительным улучшением по сравнению с 87.1mV. Результаты этой симуляции показаны на Рис.5.

Важно отметить, что здесь есть еще более комплексные взаимосвязи в работе, чем просто энергоемкость слоя. Модальные резонансы, распространяющаяся индуктивность и др. также имеют место, что детально улавливается программой расчета распределений поля.

Эксперимент 4: Уменьшение расстояния между слоями.

В этом эксперименте мы уменьшим расстояние между слоями до очень маленького – 1 mil. Хотя такие материалы существуют, но они очень дороги и возможно недоступны некоторым производителям. В данном эксперименте это выполнено для того, чтобы посмотреть, существует ли значительное влияние на шумовое напряжение. К тому же диэлектрические постоянные обратно установлены в своих первоначальных показателях в 4,3 и плата сделана более большой (64 in2). Емкость в данных установках определена в 6.39nF, а результаты данной симуляции показаны на Рис. 6. Обратите внимание, что шумовое напряжение главным образом улучшилось по сравнению с предыдущими случаями, и даже больше, чем в случае с высоким диэлектриком.

Что мы увидим, если размер платы вернется к 16 дюймам2 (4*4 дюйма), как это было в Эксперименте 1? После проведения такой симуляции шумовое напряжение было получено в 32.8mV, что соответствует тому, что мы ожидали, базируясь на предыдущих экспериментах и интуиции. Дополнительная емкость, полученная за счет увеличения платы в 4 раза от первоначального размера, практически не дала никакой разницы в общем шумовом напряжении, так как она лежит вне границ рассчитанной эффективной площади.

Рис. 5. Результаты симуляции в Эксперименте 3. Диэлектрическая постоянная увеличена до 20 для всех слоев. Шумовое напряжение на стоке тока уменьшилось всего лишь на 14,8 mV по сравнению с обычными параметрами с нормальной диэлектрической постоянной в 4,3.

Рис. 6. Результаты симуляции в Эксперименте 4. Диэлектрическая постоянная 4,3, расстояние между слоями 2 и 3 составляет 1 mil. Пиковое шумовое напряжение составило 31,2 mV, что является серьезным улучшением по сравнению с показателем в 87,1 mV в Эксперименте 2.

Эксперимент 5: Увеличение количества слоев питания.

В предыдущих экспериментах мы фокусировались на том, что может быть сделано при использовании единственной пары слоев питания как главный источник энергоемкости печатной платы. Мы показали, что увеличение размера печатной платы вне пределов эффективной площади имеет незначительный эффект на шумовое напряжение. Так же мы обнаружили, что увеличение диэлектрической постоянной также имеет незначительный эффект на шумовое напряжение, так как она компенсирует добавленную емкость за счет сокращения эффективного радиуса. А что, если мы будем использовать две раздельных пары слоев, обе такого же размера, что и размер эффективного радиуса?

Проведение данного эксперимента требует изменения в способе установки стока тока и VRM в данной симуляции. Структура слоев изменена таким образом, что слои 6 и 7 также соединены с VCC1_5. Теперь у нас есть два контейнера, формирующих энергоемкость, оба в пределах эффективного радиуса стока тока. Казалось бы, что емкость должна удвоиться, но есть также индуктивность, связанная не только с каждой парой слоев, но также и между двумя контейнерами. К тому же мы должны совместить слои вместе с отверстиями для обоих слоев заземления и заново созданным VCC1_5 на слое 6. Диэлектрическая постоянная возвращена к показателю 4,3, а расстояние между парами слоев питания установлено в 3 mil. Рис. 7 показывает результаты данной симуляции с пиковым шумовым напряжением всего в 39.1mV на стоке тока.

Рис. 7. Результаты Эксперимента 5. Слой 6 теперь соединен со слоем 2 через отверстие ля увеличения эффективной емкости, соединенной со стоком тока. Оба слоя 2 и 6 такого размера, чт и рассчитанная эффективная площадь. Пиковое шумовое напряжение всего 39,1 mV.

Что случится, если мы уменьшим расстояние между слоями питания до 1 mil? Из наших предыдущих экспериментов мы можем предположить, что емкость должна увеличиться, а это должно улучшить наше шумовое напряжение. Проработка данного сценария подтвердила это и показала пиковое шумовое напряжение всего лишь в 15,4 mV!

Вы можете спросить, а является ли такой сценарий адекватным? Возьмем систему памяти такую как DDR2. Зачастую производитель определяет, что дорожки должны быть проложены на различных слоях для перекрестного искажения, тайминга, импеданса и других ограничений. В подобной системе вам скорее всего придется использовать множество расщепленных слоев для вашего PDN,чтобы разместить другие устройства. В системах, подобных DDR2, имеет смысл для всех ваших сигналов использовать либо GND либо 1.8V слой питания как контрольный (возвратный) слой, если это номинальная цепь напряжения, откуда идет ток. Используя контрольный слой, не являющийся номинальной цепью (скажем 3.3V), может оказаться плохим решением. В этой ситуации, слой 3,3V может быть расщеплен и подсоединен к 1,8V в зоне, где проложена сеть DDR2. В этом случае сигналы относятся к слою питания (или GND), который находится в номинальной цепи питания, и обеспечивают дополнительную емкость для переменного тока. Нужно все еще рассчитать эффективный радиус системы памяти путем симуляции/калькуляции времени переключения системы. После этого разработчик может понять, насколько большой должна быть площадь слоя. Очевидно, площадь размещения/трассировки системы памяти должна быть продумана заранее, когда принимается решение, где размещать прорези. Всегда расширяйте слой таким образом, чтобы сигналы не были проложены через прорези, если это возможно, даже если площадь слоя больше, чем требует рассчитанная эффективная площадь.

Эксперимент 6: площадь платы меньше, чем эффективная площадь.

Наши предыдущие эксперименты имели дело только с платой, которая была либо такого же размера, либо значительно больше, чем эффективная площадь стока тока. А что, если площадь печатной платы окажется меньше или значительно меньше, чем рассчитанная эффективная площадь? Какое будет лучшее решение в этом случае?

Для этого эксперимента мы будем использовать те же самые характеристики стока тока, дающие эффективный радиус 1,45 дюймов и площадь 6,60 дюймов2. Однако площадь платы будет значительно меньше – 2 дюйма2 (1,41 х 1,41 дюйм). В структуре слоев расстояние было установлено в 3 mil, диэлектрическая постоянная 4,3, сток тока и VRM соединены только со слоем 2, как и в предыдущих случаях. Рис.8 показывает результаты симуляции. Мы видим пиковое шумовое напряжение хуже на краях платы (129, 4mV), чем на стоке тока (106mV). Геометрия платы также играет свою роль, так как модальные резонансы возникают не так, как на больших платах.

Мы можем сделать вывод, что оба варианта – уменьшение диэлектрического расстояния между слоями и использование дополнительных слоев, снижают наше шумовое напряжение путем увеличения емкости системы. А что по поводу увеличения диэлектрической постоянной до высоких показателей?

Рис.8. Результаты Эксперимента 6. Общая площадь платы значительно меньше, чем эффективная площадь. Пиковое шумовое напряжение 129,4 mV расположено на краях платы, тогда как напряжение на стоке тока приблизительно 106 mV.

Из предыдущих экспериментов мы помним, что увеличение диэлектрической постоянной негативно влияет на доступную емкость за счет сжимания эффективного радиуса, а следовательно и площади. Это все еще является правильным, но если площадь слоя меньше, чем эффективная площадь, тогда это не будет полностью использовано стоком тока. В этом случае уменьшение эффективной площади за счет увеличение диэлектрической постоянной будет увеличивать доступную энергоемкость и должно снижать шумовое напряжение.

Нужно рассчитать, насколько может быть увеличена диэлектрическая постоянная, чтобы полностью использовать доступную площадь слоя, но не настолько, чтобы сжать эффективную площадь до размера меньшего, чем площадь платы. В нашем случае площадь платы 2 дюйма2, что дает емкость 645pF, при диэлектрической постоянной 4,3 и расстоянием в 3 mils. Так как площадь составляет 2 in2, радиус (r) должен быть равен 0.797 дюйма. Решение Равенства 2 для диэлектрической постоянной, используя этот радиус, мы получаем 14, что говорит нам, что мы можем увеличить диэлектрическую постоянную до 14, сжимая эффективную площадь до тех пределов, чтобы подходить стоку тока. Выполняя это, мы можем полностью использовать площадь слоя таким образом, чтобы максимизировать емкость и снижать шумовое напряжение.

Расчет емкости для обоих случаев дает 645pF для стандартной диэлектрической постоянной 4,3 и 2.12nF для случая с высоким диэлектриком. Рис.9 показывает симуляцию с диэлектрической постоянной =14 для всех слоев питания. Сразу мы замечаем, что шумовое напряжение на стоке тока изменилось не сильно (дельта в ~12mV), но шумовое напряжение на краях платы уменьшилось на 66mV. В этом случае локальная развязка стока тока также должна помочь подавить шумовое напряжение.

Рис.9. Результаты Эксперимента 6, при высокой диэлектрической постоянной. Пиковое шумовое напряжение уменьшилось по углам до 66 mV, но только до 93,2 mV на стоке тока.

И напоследок мы должны уменьшить расстояние и добавить дополнительные пары слоев, чтобы увеличить емкость платы. Простое изменение расстояния между парами слоев на 1 mil приводит к шумовому напряжению в 22mV на краях и 33.5mV на стоке тока. Добавление дополнительного слоя и сохранение расстояния в 3 mils дает шумовое напряжение 39.3mV на стоке тока и 23mV на краях платы. Лучшим сценарием для данного эксперимента является изменение расстояния между слоями до 1 mil также как добавление дополнительного слоя, при использовании высокого диэлектрического материала. В этом случае шумовое напряжение составляет всего 15.5mV на стоке тока и 8.5mV на краях печатной платы.

Заключение

Разработка структуры слоев и PDN может оказаться сложной задачей, так как существует множество факторов, которые нужно учитывать для получения должной эффективности. Часто механические, температурные и финансовые ограничения оказывают влияние на количество слоев, материалы, и количество времени, которое может быть потрачено на анализ разработки. Также очень важно заметить, что реальные разработки имеют множество сложных стоков тока с множеством различных динамических характеристик. Традиционный метод оценки этих стоков заключается в симулировании ввода/вывода устройства (устройств) и анализ текущего спектра драйвера ввода/вывода с целью лучше понять действие переключения этого/этих устройств. Из этого частотного спектра можно получить лучшее понимание динамики загрузки и того, как рассчитать эффективный радиус. Но даже со всеми этими симуляциями это не является точной наукой. Иногда самая важная вещь, которую вы можете выяснить, - это какой сценарий приводит к наилучшему влиянию, используя всю доступную информацию.

Основные пункты, которые важно помнить
• Динамические характеристики стока тока или загрузки определяют эффективную площадь, при которой емкость печатной платы может быть использована.

• В случае, когда печатная плата больше, чем рассчитанная эффективная площадь, высокие диэлектрические материалы оказывают минимальное влияние на подавление шумового напряжения. Лучшая производительность достигается увеличением емкости либо за счет минимизации расстояния между слоями, либо за счет увеличения количество пар слоев, прикрепленных к стоку тока.

• В случае, когда печатная плата больше, чем рассчитанная эффективная площадь, дальнейшее увеличение площади слоя вне границ эффективного радиуса/площади также имеет минимальное влияние на производительность.

• В случае, когда печатная плата меньше, чем рассчитанная эффективная площадь, увеличение емкости за счет использования высоких материалов диэлектрической постоянной может улучшить ситуацию с шумовым напряжением. Однако, это имеет смысл в случае, если лучшие результаты не были достигнуты путем уменьшения расстояния или добавления дополнительных пар слоев.

• Уменьшение расстояния между слоями не только увеличивает емкость, но также уменьшает индуктивность структуры.

• Печатная плата – это только одна часть PDN. VRM, дискретные развязывающие конденсаторы, корпуса чипов, накристальная емкость также очень важны в достижении желаемой производительности и эффективности.

Кирк Фаббри (Kirk Fabbri) – владелец KSPT ENGINEERING CONSULTING LLC и инженер по электронике в L-3 Communications – Avionics Systems.

Источник: iconnect007.uberflip.com/i/494320-pcbd-apr2015 (стр.52)

Назад