Силовая целостность
Целостность питания или PI — это анализ, позволяющий проверить, ли желаемые напряжение и ток соблюдаются от источника до места назначения. Сегодня целостность электропитания играет важную роль в успехе и провале новых электронных продуктов. Существует несколько связанных аспектов PI: на чипе, в корпусе чипа, на печатной плате и в системе. Для обеспечения целостности электропитания на уровне печатной платы необходимо решить четыре основные проблемы: [1] : 615
- Поддерживайте пульсацию напряжения на контактных площадках чипа ниже, чем указано в спецификации (например, отклонение напряжения менее ±50 мВ в районе 1 В).
- Управляйте отскоком земли (также называемым шумом синхронного переключения, шумом одновременного переключения или выходом одновременного переключения (SSN или SSO))
- Контролируйте электромагнитные помехи и поддерживайте электромагнитную совместимость : сеть распределения электроэнергии обычно представляет собой самый большой набор проводников на печатной плате и, следовательно, самую большую (нежелательную) антенну для излучения и приема шума.
- Поддержание надлежащего уровня постоянного напряжения на нагрузке при больших токах. Современный процессор или программируемая пользователем вентильная матрица могут потреблять 1–100 А от шины питания с напряжением менее 1 В с запасом по напряжению в десятки милливольт. [2] [3] Таким образом, в распределительной сети можно допустить очень небольшое падение напряжения постоянного тока.
Электрораспределительная сеть
[ редактировать ]
Путь тока от источника питания через печатную плату и корпус микросхемы к кристаллу (потребителю) называется сетью распределения электроэнергии. [4] Его роль состоит в том, чтобы передавать мощность потребителям с небольшим падением напряжения постоянного тока и допускать небольшие пульсации, вызванные динамическим током у потребителя (ток переключения). Падение постоянного напряжения происходит, если имеется слишком большое сопротивление в плоскости или силовых цепях, ведущих от VRM (модуля регулятора напряжения) к потребителю. Этому можно противостоять, повышая напряжение на VRM или расширяя «чувствительную» точку VRM до потребителя.
Динамический ток возникает, когда потребитель переключает свои транзисторы, что обычно вызывается тактовым сигналом. Этот динамический ток может быть значительно больше статического тока (внутренней утечки) потребителя. Такое быстрое изменение потребляемого тока может снизить напряжение на шине или вызвать его скачок, создавая пульсации напряжения. Это изменение тока происходит намного быстрее, чем VRM может отреагировать. Поэтому ток переключения должен регулироваться развязывающими конденсаторами .
Шум или пульсации напряжения должны обрабатываться по-разному в зависимости от частоты работы. Самые высокие частоты должны обрабатываться на кристалле. Этот шум разделяется паразитной связью на кристалле и емкостной связью между металлическими слоями. Частоты выше 50–100 МГц должны быть указаны на упаковке. [ нужна ссылка ] Это делается с помощью встроенных в корпус конденсаторов. Частоты ниже 100 МГц обрабатываются на печатной плате посредством плоской емкости и использования развязывающих конденсаторов . Конденсаторы работают на разных частотах в зависимости от их типа, емкости и физического размера. Поэтому необходимо использовать несколько конденсаторов разных размеров, чтобы обеспечить низкий импеданс PDN во всем диапазоне частот. [5]
Физический размер конденсаторов влияет на его паразитную индуктивность. Паразитная индуктивность создает скачки импеданса на определенных частотах. Поэтому физически меньшие конденсаторы лучше. Расположение конденсаторов имеет различное значение в зависимости от частоты его работы. Конденсаторы наименьшего номинала должны располагаться как можно ближе к потребителю, чтобы минимизировать площадь контура переменного тока. Конденсаторы большей емкости в диапазоне микрофарад можно разместить более или менее где угодно. [6]
Целевой импеданс
[ редактировать ]Целевой импеданс — это импеданс, при котором пульсации, создаваемые динамическим током конкретного потребителя, находятся в пределах указанного диапазона. Целевой импеданс определяется следующим уравнением [7] [8]
![{\displaystyle Z_{\textrm {Target}}={\frac {\Delta V}{\Delta I}}[\Omega ]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d8742ccb069db77158a5ab63b964262556f7aa85)
Помимо целевого сопротивления, важно знать, на каких частотах оно действует, и за какую частоту отвечает потребительский корпус (это указано в даташите конкретной потребительской ИМС).
При проектировании PDN обычно используется та или иная форма моделирования, чтобы гарантировать, что PDN соответствует целевому импедансу. Это можно сделать с помощью моделирования SPICE , инструментов поставщиков микросхем, [9] инструменты поставщика конденсаторов, [10] или с помощью инструментов, встроенных в программное обеспечение EDA. [11] [12] [13] [14]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Богатин, Эрик (13 июля 2009 г.). Целостность сигнала и питания – упрощенно . Пирсон Образование. ISBN 978-0-13-703503-8 .
- ^ «Моделирование целостности питания FPGA с использованием моделей S-параметров» (PDF) . Ксилинкс . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «Технические данные ПЛИС Virtex-7 T и XT: характеристики переключения постоянного и переменного тока» (PDF) . Ксилинкс . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «Основы целостности сигналов и электропитания» (PDF) . Кристиан Шустер . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «Эффективная развязка плоскостей питания и заземления для печатной платы» (PDF) . ИБМ . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «Введение в целостность электропитания» (PDF) . ПИКОТЕСТ, Keysight . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «Введение в целостность электропитания» (PDF) . ПИКОТЕСТ, Keysight . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «Проектирование целостности власти: статус, проблемы и возможности» . IEEE. дои : 10.1109/MEMC.2013.6623297 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Электрораспределительная сеть» . Альтера . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «К-СИМ» . КЕМЕТ . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «ЦСТ ПДН АНАЛИЗАТОР» . Альтиум . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «Целостность власти HyperLynx» . Наставник . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «База Аллегро Сигрити ПИ» . Каденс . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ «Элемент электромагнитного анализа целостности электропитания W2359EP PIPro» . Ключевой взгляд . Проверено 18 марта 2018 г.
Ли В. Ричи (2003). Правильно с первого раза — Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем . СКОРОСТНОЙ КРАЙ. ISBN 978-0-9741936-0-1 .