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如何维护PCB电源完整性?

在本文的第1部分中,我描述了通过完全设计完成与维护PCB电源完整性相关的各种挑战和问题任何给定产品实施的功能PDS。本文将通过概述构成PDS的元素,工程师在设计PDS中的工作以及可用于该设计过程的资源来解决这些问题和挑战。应该指出的是,所有这些要素的彻底处理包含在本文末尾所述的参考文献1章和参考文献2章的第3章中。

如何维护PCB电源完整性?华强PCB

问题的根源

如前文所述,功率输送已成为当今PCB设计过程中最关键和最困难的方面。而且,如前所述,这是由于必须解决的频率数量,巨大的电流和不断缩小的工作电压。虽然获取路由规则并确定板的叠加可以在几天内完成,但是设计一个正常运行的PDS可能需要一个月的时间。但是,由于PDS设计尚未被很好地理解,因此在设计过程的最后阶段,如果遇到问题,它会成为设计过程中没有良好基础的神话和经验法则的牺牲品。

构成成功PDS设计的要素

图1是真实PDS系统的示意图。 PDS设计过程的目标是制造阻抗足够低的电源,以便Delta I负载电流变化导致纹波电压在规格范围内。在该图中,可以看到电源阻抗。产品开发人员的任务是设计此阻抗,使其满足上述条件。这是一个分析问题,必须考虑到许多因素。作为本文第1部分中提到的此过程的一部分,工程师别无选择,只能假设Delta Is是最大Ioads。此外,它们可以在从DC到数百MHz的任何频率发生。

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图1. PDS设计问题简化

图2显示了典型设计的PDS阻抗以及构成PDS的所有元素。

这些包括:

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电压调节器模块(VRM)也称为负载点(POL)。

这是产生直流电压的模块。/p>

十大赌博正规澳门平台上安装的电容器

平面电容器(PCB)。

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图2.典型PDS示意图

这些元素中的每一个都具有有限的频率范围,其中它们如下有效:

VRM:VRM能够保持高达几KHz的电压。/p>

电容器:电容器能够实现从几KHz到大约100 MHz的低阻抗。

平面电容器:平面电容能够提供超过100 MHz的频率。

注意:大家遇到的所有EMI问题的根源过去几年一直是电路板上没有任何平面电容。另外,重要的是要注意当十大赌博正规澳门平台变小时,没有平面电容。在这些情况下,电容必须在IC元件本身内。 PDS工程师的工作是管理上述元件,以便在整个频率范围内保持低阻抗。注意:正如我之前关于铁氧体磁珠使用的文章所述,在给定PCB的整个频率范围内保持低阻抗的必要性抵消了铁氧体磁珠的使用。这是因为功率路径中的铁氧体磁珠破坏了PDS的阻抗,因为根据定义,铁氧体磁珠是高阻抗的。

事实上,PDS设计已成为设计过程中的第1步。在没有完成PDS设计的情况下,甚至无法确定十大赌博正规澳门平台中需要多少层。这是由于在设计流程中的PDS步骤完成之前,由Vdd和接地平面彼此紧密间隔形成的平面电容量是未知的。然后,这个平面电容内置在PCB叠层中。

阻抗与频率的关系

图3是使用经典的.1和.01微法电容器规则的阻抗与频率的关系 - 经验法则。纵轴是阻抗,水平是频率。如本文参考文献3所述,使用.1和.01微法拉电容器,事情会变得更好,达到60MHz左右,然后事情变得更糟。这表明任意将电容器放在十大赌博正规澳门平台上会导致不良结果。此图由密苏里大学罗拉分校提供,并在本文末尾的参考文献3中引用。

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图3.使用0.1 uF和0.01 uF电容的典型设计的阻抗与频率的关系

图4显示了典型VRM的输出阻抗。这是一个DC-DC转换器。它仅显示出100Hz的低阻抗,然后停止调节。从那里开始,你不能依靠调节器来保持低阻抗。电容器必须接管该频率以上。

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图4.典型电压调节器的阻抗与频率的关系模块(VRM)

图5显示了典型PDS的阻抗与频率的关系,所有元素的组合。蓝色曲线是平面电容器,黑色曲线是调节器停止调节后的调节器。还示出了每个在其窄频率范围内操作的电容器的不同值。红色曲线是所有元素一起工作的。 PDS工程师的工作是选择正确的组合,以便达到阻抗目标。

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图5.典型PDS的阻抗与频率

电源完整性作为设计过程的一部分

设计功能性PDS的步骤包括确定负载是什么,纹波目标是什么,然后设计上述元件。但是,直到你证明自己已经做对了,你才能完成。通过参考参考文献2的附录2中所述的测量来完成该证明。如上所述,人们做出失误的关键区域是不将平面电容结合到十大赌博正规澳门平台中。

如上所述,由于各种因素,PDS设计通常是PCB设计过程中解决的最后一个方面。很多时候,工程师在设计PDS时不知道要问的正确问题和/或他们依赖于不包含PDS设计元素的组件应用笔记。除了使用仿真工具之外,还有另一种资源可以满足大多数工程师在设计PDS时所需的工作:Altera的工具名为ALTERA_PDN_Tool v.10,可以在企业网站上免费获得。

使用Altera PDN工具,您可以从电容器库中选择电容器;你定义了如何安装这些电容器;你定义了平面电容;你定义了如何连接BGA;并定义电压,容差和Delta I的含义。然后该工具为您进行数学计算,并告诉您平面下有多少电感。这使您能够以最有效和最有效的方式完成PDS设计过程。

摘要

PDS设计已成为当今PCB设计过程中最关键和最困难的因素。了解构成全功能PDS的元件,同时在PCB的所有频率范围内保持低阻抗是该过程的关键部分。有一些方法和工具可以帮助确保在任何给定的PCB设计中成功实现电源完整性。今天与Altium专家交谈以了解更多信息。

参考文献:

Ritchey,Lee W.和Zasio,John J. ,“第一次正确,高速PCB和系统设计实用手册,2003年第1卷。

Ritchey,Lee W.和Zasio,John J.,”第一次,关于高速PCB和系统设计的实用手册,2006年第2卷。

Hubing,Todd H.等人,“多层印刷十大赌博正规澳门平台上的电源总线去耦“关于电磁兼容性的IEEETTraactions,Vol。 37,NO 2,1995年5月。

Smith,Larry&amp; Bogatin,Eric:“简化电源完整性和PDB设计的原则”,PrenticeHall,2017

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