Boczną drogą czy autostradą? – Zarządzanie rozdziałem mocy PCB za pomocą analizatora PDN

Altium Designer

|  Created: December 29, 2017  |  Updated: September 25, 2020

Kto z nas nie został nigdy przyłapany na wyglądaniu przez okno w zamyśleniu, spoglądając na nieruchomą linię samochodów stojących na autostradzie, zastanawiając się nad łatwiejszymi lub bardziej skutecznymi sposobami dotarcia do pracy na czas? I nawet wtedy czasami alternatywne trasy nie zawsze są najszybsze  – może zdarzyć się budowa drogi lub inne wydarzenie, które sprawi, że będziesz musiał zmienić trasę jeszcze bardziej. W tym momencie większość ma tendencję do wyrzucania wszelkich nadziei na dotarcie do pracy na czas przez okno (lub, jeśli mieszkasz w Londynie, możesz zacząć jechać pasem awaryjnym).

Teraz wyobraź sobie każdą z dróg, każde skrzyżowanie lub kongestię w ruchu drogowym jako sieć energetyczną twojej płytki drukowanej. Twoim zadaniem staje się nawigacja po płytce drukowanej i analiza, w jaki sposób zoptymalizować wydajność przy minimalnych stratach mocy. W miarę projektowania coraz mniejszych obwodów drukowanych, ścieżki w sieci dystrybucji energii stają się coraz węższe. To stwarza całą masę problemów projektowych: jak poprowadzić półciężarówkę przez jednopasmową alejkę między blokami? Jeśli boki mojego samochodu ocierają się o ściany i iskrzą, czy jest coś, co mogłoby się zapalić?

Projektanci PCB muszą poradzić sobie z wyższymi poziomami ciepła i zakłóceń, które stanowią zagrożenie dla wrażliwych elementów, wpływając na sąsiednie struktury i funkcjonalność całego systemu. Podobnie jak dziecko, które zaobserwowało, jak jego rodzice równolegle parkują w zbyt ciasnym miejscu, tak i ty możesz rozdzielać wystarczającą moc przy minimalnych stratach wynikających z dystrybucji, o ile masz na uwadze solidne techniki projektowania.

Łączenie ruchu i zarządzanie ciepłem w dystrybucji energii

Zwłaszcza w Kalifornii jedną z największych przyczyn opóźnień na autostradzie są ludzie nieprzestrzegający jazdy na suwak i innych zasad. Cóż, w projektowaniu PCB wszystkie zasady ruchu drogowego to układy scalone, mikroprocesory, moduły pamięci, DSP-y (procesory sygnałowe) i FPGA (bezpośrednio programowalne macierze bramek). Jeśli zboczysz poza tolerancję napięć zasilania, nie możesz oczekiwać, że specyfikacje twojej płytki zostaną zrealizowane. Oto niektóre podstawy, na dobry początek:

1. Twórz krótkie i szerokie ścieżki, aby rozprowadzić ciepło.

2. Minimalizuj impedancję, utrzymując pętle bypassu tak małe, jak to możliwe i długość ścieżek w stosunku 3:1 do szerokości.

3. Optymalizacja odstępów między komponentami zapewni najmniejszą gęstość prądu i ciepła

4. Unikaj ostrych kątów, aby utrzymać ciepło „równomiernie” na całej płytce.

Minimalne straty i optymalnie wysoka wydajność energetyczna idą w parze z zarządzaniem ciepłem. Każda miedziana ścieżka przewodząca wysokie natężenia i każdy element elektryczny przewodzący prąd jest źródłem ciepła ze względu na opór elektryczny. Nawet elementy pasywne, takie jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne, wytwarzają odpowiednio ciepło rezystancyjne i reaktywne. Dodatkowo w związku z mniejszą powierzchnią płytki mamy do czynienia z większą liczbą gorących punktów i perforacji w miedzi, co prowadzi do dalszego wzrostu gęstości natężenia prądu i ciepła. Projekty mające na celu zmniejszenia strat I2R zawsze były ważne, ale w przypadku urządzeń niskiego napięcia mają one decydujące znaczenie.

^{Dystrybucja ciepła jest jedną z najważniejszych kwestii w projektowaniu układu PCB.}

Wyboje i jelenie nie są jedynymi zakłóceniami

W celu dystrybucji energii z optymalną wydajnością, innym rodzajem „strat”, który należy kontrolować, jest utrata sygnału w postaci szumu i przesłuchu, które są znane jako zakłócenia elektromagnetyczne lub EMI. Wyzwanie polega na tym, że praktycznie każdy układ scalony jest generatorem szumów, a każda ścieżka wysokoprądowa emituje promieniowanie elektromagnetyczne, które może być wychwytywane jako szum, działając zasadniczo jak anteny. Ponadto, jeśli sygnały są włączane i wyłączane z częstotliwością 300 MHz lub większą, wyzwalają impulsy magnetyczne, które są wychwytywane przez sąsiednie obwody, tworząc przesłuch. Oto kilka wskazówek, aby zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne i przesłuchy:

• Utrzymuj fale radiowe z dala od ścieżek prądowych dzięki rdzeniom ferrytowym i kondensatorom bocznikowym

• W przypadku pinów we / wy w trybie wejściowym połącz nieużywane wejścia z szyną o najniższej impedancji; jeśli to możliwe, połącz je bezpośrednio z uziemieniem

• Zachowaj ścieżki nieemitujące hałasu z dala od elementów emitujących, takich jak połączenia, oscylatory i przekaźniki.

• Grupuj ścieżki powodujące zakłócenia razem, otoczone ścieżkami uziemienia. Oprócz tego nie trasuj ich na zewnętrznej krawędzi płytki.

• Aby zmniejszyć propagację zakłóceń, kontroluj kształt i impedancję ścieżki zwrotnej. Należy pamiętać, że napięcie szumu i związane z nim natężenie będą podążać ścieżką o najniższej impedancji z powrotem do generowanego punktu.

• Nie prowadź równolegle sąsiednich przewodów.

• Zachowaj odstęp między parami sygnałów do 5-krotności szerokości ścieżki.

Zarządzanie dystrybucją energii i utratą sygnału może wydawać się całkiem sporym wyzwaniem. Zwłaszcza jeśli projektujesz ze ściśle określonymi wymaganiami produkcyjnymi, możesz łatwo wykorzystać swoje doświadczenie i wiedzę, aby zastąpić typową kontrolę reguł lub zignorować źródło potencjalnych zakłóceń. Jednak dzięki zaawansowanemu oprogramowaniu do projektowania płytek drukowanych znaczna część pracy polegającej na cofaniu się i podwójnym sprawdzaniu może zostać zastąpiona przez automatyczny proces twojego programu projektowego.

^{Nie zawsze znajdziesz znaki ostrzegawcze informujące o zakłóceniach sygnału na płytce drukowanej.}

To żaden skrót, ale PDN^™ Analyzer zabierze Cię tam, gdzie musisz się udać

Niskonapięciowe, wysokoprądowe urządzenia elektroniczne stanowią wyzwanie dla każdego projektującego płytki drukowane w celu zmniejszenia strat w dystrybucji, ponieważ rozmiar płytek zmniejsza się, a gęstość upakowania elementów wzrasta. Systemy zasilania PDN i rozwój układów scalonych dostosowują się do rosnących wymagań; jednak, pomimo całej teorii i najwyższej jakości komponentów na płytce drukowanej, pozostaje zasadnicze pytanie: czy da się zaprojektować statystycznie niezawodną płytkę drukowaną o wymaganej szybkości i efektywności? Odpowiedź brzmi: tak - dzięki sile analizatorów sieci dostarczającej energię.

Możliwość modelowania PDN, propagacji szumów, wstępnego i końcowego układu oraz analizowania pól EMI daje trochę swobody. Aby móc ocenić wzorce termiczne, gdy spojrzysz na gęstość natężeń, gdzie jest zwężenie na płaszczyźnie 1 V i gdzie gęstość prądowa wzrasta - produkt końcowy jest optymalnie rozłożony na płytce PCB i łatwo go wprowadzić do produkcji. Znajdź i rozwiąż swoje problemy z PDN za pomocą inteligentnego oprogramowania do projektowania płytek drukowanych Altium Designer^® i jego wizualnej analizy mocy bezpośrednio w środowisku projektowym bez przestojów w pracy, specjalnych drogich narzędzi i specjalistycznej wiedzy.

Zapewnij sobie możliwość analizowania, modyfikowania i ponownej analizy pracy. Jeśli masz więcej pytań na temat optymalizacji swoich projektów i minimalizacji strat w dystrybucji, skontaktuj się dziś z ekspertem Altium.