La integridad de la energía o PI es un análisis para verificar si el voltaje y la corriente deseados se cumplen desde la fuente hasta el destino. Hoy en día, la integridad de la energía juega un papel importante en el éxito y el fracaso de los nuevos productos electrónicos. Hay varios aspectos acoplados de PI: en el chip, en el paquete del chip, en la placa de circuito y en el sistema. Se deben resolver cuatro problemas principales para garantizar la integridad de la energía en el nivel de la placa de circuito impreso: [1] : 615
- Mantenga la ondulación de voltaje en las almohadillas de chips más baja que la especificación (por ejemplo, menos de +/- 50 mV de variación alrededor de 1V)
- Control de rebote de tierra (también llamado ruido de conmutación síncrona, ruido de conmutación simultánea o salida de conmutación simultánea (SSN o SSO))
- Controle la interferencia electromagnética y mantenga la compatibilidad electromagnética : la red de distribución de energía es generalmente el conjunto de conductores más grande en la placa de circuito y, por lo tanto, la antena más grande (no deseada) para la emisión y recepción de ruido.
- Mantener un nivel de voltaje de CC adecuado en la carga a altas corrientes. Un procesador moderno o una matriz de compuertas programable en campo puede extraer de 1 a 100 amperios a niveles de VDD por debajo de 1 V con márgenes de CA y CC en decenas de milivoltios. [2] [3] Por tanto, se puede tolerar una caída de tensión CC muy pequeña en la red de distribución de energía.
Red de distribución de energía
La ruta de la corriente desde la fuente de alimentación a través del paquete de PCB e IC hasta el dado (consumidor) se denomina red de distribución de energía. [4] Su función es transferir la energía a los consumidores con poca caída de voltaje de CC y permitir una pequeña ondulación inducida por la corriente dinámica en el consumidor (corriente de conmutación). La caída de CC ocurre si hay demasiada resistencia en el avión o trazas de energía que van desde el VRM (Módulo regulador de voltaje) al consumidor. Esto se puede contrarrestar aumentando el voltaje en el VRM o extendiendo el punto de "detección" del VRM al consumidor.
La corriente dinámica ocurre cuando el consumidor cambia sus transistores, generalmente activados por un reloj. Esta corriente dinámica puede ser considerablemente mayor que la corriente estática (fuga interna) del consumidor. Este cambio rápido en el consumo de corriente puede reducir el voltaje del riel o hacer que aumente, creando una ondulación de voltaje. Este cambio en la corriente ocurre mucho más rápido de lo que el VRM puede reaccionar. Por lo tanto, la corriente de conmutación debe manejarse desacoplando condensadores .
El ruido o la ondulación del voltaje deben manejarse de manera diferente dependiendo de la frecuencia de operación. Las frecuencias más altas deben manejarse en la matriz. Este ruido se desacopla mediante el acoplamiento parásito en la matriz y el acoplamiento capacitivo entre las capas de metal. Las frecuencias por encima de 50-100 MHz deben manejarse en el paquete [ cita requerida ] , esto se hace en los capacitores del paquete. Las frecuencias por debajo de 100 MHz se manejan en la PCB por capacitancia plana y usando capacitores de desacoplamiento . Los condensadores funcionan en diferentes frecuencias según su tipo, capacitancia y tamaño físico. Por tanto, es necesario utilizar varios condensadores de diferentes tamaños para garantizar una baja impedancia PDN en todo el rango de frecuencia. [5] El tamaño físico de los condensadores afecta su inductancia parásita. La inductancia parásita crea picos de impedancia en ciertas frecuencias. (Físicamente) Los condensadores más pequeños son, por tanto, mejores. La ubicación de los condensadores tiene una importancia variable según su frecuencia de funcionamiento. Los capacitores de menor valor deben estar lo más cerca posible del consumidor para minimizar el área del bucle de corriente CA. Los condensadores más grandes en el rango de micro Faradios se pueden colocar más o menos en cualquier lugar. [6]
Impedancia objetivo
La impedancia objetivo es la impedancia a la que la ondulación creada por la corriente dinámica del consumidor específico está dentro del rango especificado. La impedancia objetivo viene dada por la siguiente ecuación [7] [8] Además de la impedancia objetivo, es importante saber qué frecuencias se aplica y a qué frecuencia es responsable el paquete del consumidor (esto se especifica en la hoja de datos del CI de consumidor específico).
Por lo general, se usa alguna forma de simulación al diseñar el PDN para garantizar que el PDN cumpla con la impedancia objetivo. Esto se puede hacer mediante simulación SPICE , herramientas de proveedores de chips, [9] herramientas de proveedores de capacitores, [10] o mediante herramientas integradas en el software EDA. [11] [12] [13] [14]
Ver también
Referencias
- ^ Bogatin, Eric (13 de julio de 2009). Integridad de la señal y la energía: simplificado . Educación Pearson. ISBN 978-0-13-703503-8.
- ^ "Simulación de la integridad de energía de FPGA utilizando modelos de parámetros S" (PDF) . Xilinx . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "Hoja de datos de FPGAs Virtex-7 T y XT: Características de conmutación de CC y CA" (PDF) . Xilinx . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "Fundamentos de la integridad de la señal y la potencia" (PDF) . Christian Schuster . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "Desacoplamiento de potencia efectiva / plano de tierra para PCB" (PDF) . IBM . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "Introducción a la integridad de la energía" (PDF) . PICOTEST, Keysight . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
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- ^ "Diseñar para la integridad de la energía: estado, desafíos y oportunidades". IEEE. doi : 10.1109 / MEMC.2013.6623297 . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ "Red de distribución de energía" . Altera . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "K-SIM" . KEMET . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "CST PDN ANALYZER" . Altium . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "Integridad de energía de HyperLynx" . Mentor . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "Allegro Sigrity PI Base" . Cadencia . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- ^ "Elemento de análisis EM de integridad de energía W2359EP PIPro" . Keysight . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
Lee W. Ritchey (2003). Correcto a la primera: un manual práctico sobre diseño de sistemas y PCB de alta velocidad . VELOCIDAD BORDE. ISBN 978-0-9741936-0-1.