Рассмотрение целостности сигнала питания при проектировании защиты печатной платы

При проектировании схемнас обычно заботит качество сигнала, но иногда мы склонны ограничивать исследование сигнальной линии и рассматривать питание и землю как идеальный случай, хотя это может упростить проблему. Но в высокоскоростном дизайне это упрощение неосуществимо. Хотя более непосредственным результатом проектирования схемы является целостность сигнала, мы не должны пренебрегать проектированием целостности источника питания. Потому что целостность источника питания напрямую влияет на конечную целостность сигнала печатной платы. Целостность источника питания и целостность сигнала тесно связаны, и во многих случаях основной причиной искажения сигнала является система питания. Например, шум отскока от земли слишком громкий, развязывающий конденсатор не спроектирован должным образом, влияние контура очень серьезное, сегментация мультимощности/плоскости заземления не является хорошей, конструкция формирования не является разумной, ток неравномерный и так далее.

1 -- Емкость развязки

Мы все знаем, что добавление некоторой емкости между источником питания и землей может снизить шум системы, но какую емкость вы добавляете к печатной плате? Какая емкость подходит для каждого конденсатора? Где лучше разместить каждый конденсатор? Мы особо не думаем о таких проблемах, мы просто следуем опыту проектировщика и иногда даже думаем, что чем меньше емкость, тем лучше. В быстродействующем проекте мы должны учитывать паразитные параметры емкости, количественный расчет количества развязывающих конденсаторов и емкости каждого конденсатора, а также конкретное положение размещения, чтобы обеспечить импеданс системы в пределах диапазона управления, основным принципом является необходимость развязки конденсаторов, один не может быть меньше, резервные конденсаторы, один нет.

2 -- отскок от земли

Когда скорость фронта высокоскоростного устройства меньше 0,5 нс, скорость обмена данными с шины данных большого объема особенно высока, что создает проблему нестабильности питания, когда возникают сильные пульсации на уровне питания, которые влияют на сигнал. Когда ток через контур заземления изменяется, индуктивность контура генерирует напряжение. Когда нарастающий фронт укорачивается, скорость изменения тока увеличивается, а напряжение отскока на землю увеличивается. В этот момент плоскость заземления (земля) уже не является идеальным нулевым уровнем, а источник питания — не идеальным потенциалом постоянного тока. По мере увеличения количества одновременных переключений ворот отскок земли становится более сильным. Для 128-битной шины может быть от 50 до 100 линий ввода-вывода, переключающихся по одному фронту тактового сигнала. В этот момент индуктивность как источника питания, так и контура заземления к одновременно переключающемуся драйверу ввода-вывода должна быть как можно меньше, иначе статическое электричество, подключенное к одной и той же земле, будет выглядеть как щетка напряжения. Отскоки заземления могут возникать в любом месте, например, на микросхемах, корпусах, разъемах или печатных платах, что может привести к проблемам с целостностью питания.

С точки зрения развития технологий передний фронт устройства будет только уменьшаться, а ширина шины только увеличиваться. Единственный способ удержать дребезг земли на приемлемом уровне — уменьшить индуктивность источника питания и распределения заземления. Для чипов это означает переход на массив пластин, размещение как можно большего количества питания и заземления, а также максимальное сокращение проводов к корпусу для уменьшения индуктивности. Для упаковки это означает упаковку с подвижным слоем, так что плоскости заземления источника питания располагаются ближе друг к другу, как это используется в упаковке BGA. Для соединителей это означает использование большего количества заземляющих контактов или изменение конструкции соединителя, чтобы иметь внутренние плоскости питания и заземления, такие как ленточные шнуры на основе соединителей. Для печатных плат это означает, что соседние источники питания и заземляющие пластины должны располагаться как можно ближе друг к другу. Поскольку индуктивность пропорциональна длине, максимально короткое соединение между питанием и землей снизит шум заземления.

3 -- система распределения электроэнергии

Целостность конструкции источника питания очень сложна, но ключом к конструкции является управление импедансом между источником питания и заземлением. Теоретически, чем ниже импеданс между системами питания, тем лучше. Чем ниже импеданс, тем меньше амплитуда шума, тем меньше потери напряжения. В реальной конструкции мы можем определить целевой импеданс, которого хотим достичь, указав максимальное напряжение и диапазон источника питания, а затем приблизить импеданс каждой части энергосистемы (относительно частоты) к целевому импедансу, регулируя соответствующие коэффициенты в цепи.