Liang Mao, portant WorldCom
(Xi'an Engineering University Training Center, Xi'an 710054, Chine)
: Etude du système de distribution de puissance PCB (PDS) analogique méthode de conception, circuits hybrides numériques et RF dans les appareils portables, et des problèmes d'intégrité du signal provoqué par le système de transmission de puissance. Découplage réseau capacitif réalisé et le nombre d'analyses quantitatives et qualitatives et de recherche, il est prévu une vitesse du courant à partir de ce point de vue est procédé donné de capacité de mise en page de condensateur à des problèmes de conception de PCB et de l'intégrité du signal en raison du système de transmission de puissance PDS solutions. La méthode est dérivée par beaucoup de conception de produits portables intelligents et les tests après la généralisation de résoudre les nombreux problèmes se posent dans la conception et le processus de test, mais fournit également une idée nouvelle dans la conception d'alimentation pour le développement de nouveaux produits.
: Puissance de bruit, le PDS, le pouvoir d'intégrité
: TN402 Code du document: ADOI: 10,19358 / j.issn.1674-7720.2017.09.011
Format de référence : Liang Mao, Dai WorldCom PDS analyse du système portable et de conception [J] SES APPLICATIONS, 2017,36 (9): 34-37.
0 introduction
Avec le développement rapide de l'appareil portable intelligent, le système intelligent actuel de l'appareil portable intègre numérique, analogique, RF, la mémoire, des capteurs et d'autres modules fonctionnels, alors que la popularité croissante des appareils portables minces intelligents, de sorte que le circuit imprimé du dispositif portable plus intelligent petit, plus intégré. Les systèmes et processus à une vitesse plus élevée et plus le développement de la puissance, l'analyse de l'intégrité de puissance (Power Integrity, PI) et la conception de la conception à grande vitesse est devenue une priorité absolue, PI impact direct sur les différents aspects du système.
Dispositif portable à puce actuelle couramment utilisée structure multicouche de bus puissance-vitesse plane de circuits imprimés, de sorte que le réseau de distribution d'énergie est très complexe composition, la structure d'interconnexion exceptionnellement grande. La présence de l'inductance parasite formée par les repères de paquets et la ligne imprimée est trop long, le tampon, un tampon à l'interaction entre la capacité parasite du plan d'alimentation et la terre à travers le trou est formé entre les lignes imprimées, ainsi que de nombreux d'autres effets possibles parasites [1] et d'autres questions. . La figure 1 est un circuit amplificateur opérationnel typique, après avoir examiné. La figure 2 est une parasitics de circuit amplificateur opérationnel. En raison des effets parasites, l'alimentation en tension et les broches de masse atteignent le dispositif réel peut produire de grandes fluctuations. Cette fluctuation de puissance peut conduire à deux problèmes: signal de chemin bruit de commutation simultané (bruit de commutation simultané, le SSN) et effondrements de rail d'alimentation [2]. SSN principalement dans un bus parallèle, car en raison de la co-couplage entre l'amélioration de la ligne de signal adjacente, l'inductance de couplage entre les lignes de signaux respectives peut conduire à une diaphonie très grave.
Un tel bruit est couplé inducteur (à savoir inductance mutuelle) produite. Pour l'alimentation électrique, lorsque la variation de courant à travers l'alimentation / liaison à la terre, il y a un courant de sortie particulièrement grande, une chute de tension sur l'impédance du chemin d'alimentation et le chemin de masse. Lorsque cette chute de pression devient grave, il formera un rail d'alimentation s'effondre. L'une des raisons qui ont conduit à ce problème est le manque de système d'alimentation rapide et fiable de transmission, qui est la conception du système inadéquat PDS. Par conséquent, la conception est la clé d'un excellent appareil portable intelligent puissance PI PDS, qui détermine la fiabilité et la stabilité du système de dispositif intelligent portable. D'excellents PDS doivent répondre aux deux exigences suivantes: (1) dans les conditions actuelles de bruit acceptables peuvent être obtenus dans une transmission fiable et en temps voulu, (2) pour garantir l'intégrité des autres signaux analogiques et des signaux de fréquence radio à partir de la carte de dispositif portable à puce, tandis que le rayonnement électromagnétique à puce appareils portables régulée dans une plage raisonnable.
1PDS découplage conception du réseau
Dans le courant ne peut pas être résolu par la transmission rapide de ce problème, nous devons d'abord comprendre les causes de courant ne peut pas être transmis dans le temps. En fait, le courant ne peut pas être transmis en temps utile est principalement due à la présence d'une variété de dispositifs portables intelligents discontinuité d'impédance PDS provoquée. impédance batterie commune discontinuités PCB, paquet PCB et emballage de puce nue comme . Ces discontinuités telle diffusion PDS augmente de chemin de courant électrique l'inductance, aura une grande puissance et rebondir au sol sur le passage PDS de jeu. Au cours du courant d'impulsion générée dans l'inductance sens courant lui-même par un changement, il aura une tension induite pour prévenir ou réduire la variation du courant, ce qui conduit de réaction à courant de transfert est retardé dans le temps. La meilleure façon de résoudre ce problème est de concevoir le réseau de découplage sur le PDS, le courant ne peut pas être transmis rapidement au circuit intégré, de sorte que le réseau de découplage jouent un rôle dans l'exercice en cours. Ainsi, il doit y avoir un réseau de découplage alternatif pour fournir la charge en temps opportun lorsque le courant d'impulsion est d'assurer la transmission rapide du circuit intégré en cours, ou IC ne fonctionnera pas correctement. réseau de découplage de conception est le plus réseau de découplage de paramètre important devrait fournir des informations objectives de découplage du temps, et ce temps est sur le chemin de la série PDS inductance causée par le retard. retard de réseau de découplage cible expression TL [2] est:
La TL est l'inductance de retard de consigne de courant introduit par le retard. Dans lequel L est une boucle d'inductance série, I est le courant moyen, V est la chute de tension provoquée par l'inductance de l'alimentation électrique. Afin de maintenir la transmission en continu et en temps opportun de puissance, un réseau de condensateurs doit être augmentée pour réduire le courant pour fournir un courant à travers l'inductance instantanée. Dans ce cas, le réseau de condensateurs de découplage minimum requis doit être égal ou supérieur au temps de retard de transmission de puissance de TC:
TCTL (2)
Si le réseau de condensateur de découplage temps connu TC, on peut estimer la capacité totale du réseau couplé out [2]:
réseau de découplage a une valeur de capacité peut être estimée avec précision, afin de sélectionner le nombre de condensateurs de découplage, le type et l'emplacement, de sorte que la puissance peut être transmise successivement dans le temps.
Tout d'abord, comment déterminer la quantité de capacité, qui est, comment déterminer la combinaison de grande capacité et faible capacité. Supposons que les extrémités remplies lorsque le condensateur est court-circuitée aux deux extrémités de la chute de tension V ( V est la marge de bruit pour l'alimentation IC) est l'intervalle de temps T . Pour une donnée V, inductance série de T et de capacité, la résistance série et les valeurs capacité associée à l'augmentation des valeurs de capacité de ces trois paramètres augmentent de façon monotone [3]. Il peut être trouvé à partir de la feuille de données du condensateur, plus la valeur de capacité de la capacité de l'emballage plus grand pour le conditionnement de plus grande inductance parasite devient. Ainsi, pour une marge de capacité et le bruit donné, une pluralité de paquets de petits condensateurs que le condensateur d'un grand bloc d'alimentation de la capacité d'améliorer de manière plus efficace la vitesse du condensateur [4]. Et après T , un condensateur de découplage ne peut pas continuer à fournir la charge à charger à nouveau. Dans le cas contraire, IC ne fonctionnera pas correctement en raison de la tension d'alimentation chute trop. Dans ce cas, il est nécessaire de prévoir le niveau du courant de condensateur IC. Sur la base de la pratique du génie 2 fois le principe de condensateurs de découplage plus grande puissance T doit être inférieure à la moitié du retard de transmission totale ou le temps de découplage:
niveau de courant simultanée T de est inférieure à une capacité du condensateur T , la formule suivante:
T (i) < T (i + 1) 2T (i) (5)
Pour les contraintes ci-dessus, à titre d'exemple, il peut être facile à comprendre. Supposons que le condensateur le plus rapide (à savoir, un premier condensateur de stade), de préférence 22 nF, le second condensateur de phase doit être choisie de 47 nF, pour le troisième condensateur de 0,1 uF stade. A ce moment doit être condensateur 47 nF est inférieure à deux fois le condensateur T T de 22 nF. Si le temps de découplage total de 1 ms, puis plus haut niveau T du condensateur de doit être inférieur à 0,5 ms [5]. D'après l'analyse ci-dessus, les conclusions suivantes peuvent être tirées: un condensateur lorsque la réponse en fréquence commence à tomber, la réponse en fréquence de l'autre condensateur commence à fonctionner, il est possible de maintenir une faible impédance en courant alternatif sur une pluralité de plage de dix ans. La figure 3 est une relation entre la fréquence et l'impédance du condensateur, l'avantage d'utiliser une pluralité donnée de condensateurs connectés en parallèle, pour fournir un chemin de terre à faible impédance est grande dans le condensateur à basse fréquence; fournir un trajet de faible impédance à la masse à des fréquences élevées est de petits condensateurs. La figure 4 est basée sur une des règles de conception de l'appareil portable intelligent dans l'état d'appel ci-dessus ondulation Found forme d'onde nucléaire ondulation puissance complètement répondre à la marge de bruit de l'alimentation.
D'autre part, le réseau de découplage dans le PCB par rapport à l'IC est également très important, il a été démontré dans un grand nombre de pratiques d'ingénierie. Progressivement plus grands condensateurs doivent être placés à proximité de la broche d'alimentation du circuit intégré et boîtier selon sa capacité. Comme le montre la figure. Cercle à proximité du boîtier de circuit intégré est la plus petite capacité et la capacité 02010402 est encapsulé.
2 PDS empêchant la conception de chemin de retour de crosstalk
Dans le processus de conception de PCB à puce appareils portables, les concepteurs sont plus préoccupés par le signal RF, un signal d'horloge et signaux audio analogiques, la mise au point ensemble sur la conception de ces signaux, par tous les moyens de protéger l'isolement de ces mise en uvre des signaux et d'autres mesures, peu d'attention sur le chemin de retour du signal réel. Une telle conception permet bruit de commutation simultanée (SSN) à travers la propagation PDS possible. En particulier, le plan d'alimentation / terre souvent utilisé comme un signal de référence et l'autre trajet de retour de l'avion, de sorte que la puissance de conception plane déraisonnable / motif est une propagation importante de bruit de la voie [6]. La norme de téléphonie mobile GSM, par exemple, le chemin de retour du signal audio doit se concentrer, dans certains cas extrêmes, exigent même le chemin de retour du signal audio conçu individuellement pour retourner l'audio en bande de base broche IC GND sous la forme d'une ligne épaisse, puis par mode de réalisation d'un seul point à l'ensemble de la couche de plan de masse. 6,. La figure 7 montre un sol à point unique pour la conception d'un point unique sur le circuit imprimé pour un dispositif portable intelligent dans la quatrième couche sur le plan de masse complet.
Par conséquent, pour éviter la propagation par PDS SSN, PDS doit être conçu à partir des trois aspects suivants.
2.1 conception complète pour réduire chemin retour plan sol discontinuité
Pour la ligne de transmission idéale, un signal de distribution de courant retour de courant au niveau du plan de référence directement au-dessus ou au-dessous, les courants de signaux et de retour peut réduire l'impédance de câblage à proximité autour de la boucle, de sorte que le signal peut être une transmission de haute qualité, en bref , à savoir, le courant circule toujours dans la boucle de minimum d'impédance [4]. Système pour équipement portable, la haute fréquence entraînant une inductance élevée telle que l'inductance de boucle devient plus important, il convient de veiller à ce que l'inductance faible de la boucle, de sorte qu'un trajet de retour continu. 8, le chemin de retour fractures inutiles se produit, l'adaptateur d'alimentation discontinuité du chemin de retour, entraînant une augmentation de la surface de circuit, formant une discontinuité d'impédance du trajet de retour, a provoqué une impédance plus grande tension de retour du courant de discontinuité où fluctuations. Ceci est démontré dans le problème du système de l'appareil portable intelligent se produit lorsque l'appareil est prise adaptateur redémarré faire des tests ESD. La meilleure façon de résoudre le problème de la discontinuité est similaire: faire les plus grands efforts pour réduire le câblage de la surface de PCB, de sorte que la couche de surface plane GND complète et continue. La pratique montre que beaucoup de plan de chemin de retour complet est idéal, mais dans la conception réelle d'une interconnexion non-idéal est difficile à éviter, et cela est un compromis entre dans la conception en fonction de la situation réelle.
2,2 trajet de signal spécial de retour d'alimentation pour éviter la duplication de circuit sensible
Dans un tel dispositif portable intelligent système d'interconnexion à haute densité PCB, afin d'éviter une diaphonie entre les principaux contenus des traces de signaux respectives sont Système de commande de bruit. Dans cette structure d'interconnexion multi-trace, la diaphonie inductive et capacitive prendre la diaphonie entre la ligne de signal peut conduire à incomplet [9]. Quand une pluralité de chemin traces de retour commune, la diaphonie inductive se comportera très important, en particulier lorsque simultanément une pluralité de commutation de signal, la voie de retour va conduire à un bruit grave, ce bruit peut provoquer des problèmes intermittents système grave [8] . Ainsi, comme DCDC une classe très grande puissance d'interférence, le chemin de retour doit être soigneusement contrôlée [7]. Dans le développement du dispositif portable à puce, la fréquence de commutation à un support radio fréquence diaphonie est très commun. Ces problèmes sont résolus essentiellement par les aspects suivants: (1) DCDC Module de puissance RF dans une position éloignée de la carte PCB, et des dispositifs analogiques comme module audio, le module d'alimentation à découpage peut être placée dans une enceinte blindée séparée. (2) raccourcir le trajet de retour, ajouter condensateurs de découplage pour la fréquence de commutation de dérivation de bruit, le bruit d'alimentation électrique de commutation pour revenir le plus court chemin. (3) un chemin de retour à la masse du point, le chemin de retour pour éviter de partager avec d'autres signaux, afin de minimiser l'apparition de diaphonie.
Dans le circuit de la figure 9 BUCK à titre d'exemple, l'analyse circuit de commutation di / dt et le chemin de transmission en cours de solution. L'interrupteur est fermé lors de la charge, par l'intermédiaire de l'interrupteur, une bobine d'inductance et le condensateur de sortie, et enfin l'écoulement à travers la capacité d'entrée. Au cours de la décharge, les forces d'induction le courant à travers le condensateur de sortie, une diode de roue libre de, et circule alors inductance arrière. Le processus de chargement et de déchargement se produit trajet de diode de roue libre discontinuité de courant, des bords tranchants surviennent [8]. Ainsi, la solution idéale serait l'anode d'une diode directement à la borne de masse du condensateur d'entrée, le flux de courant de force continue, de sorte que GND retour de courant égal au courant d'inducteur est significativement réduite par la diode de roue libre di / dt de variation de la charge et la décharge .
2.3 Conception avion PDS
La tendance générale du développement d'une haute densité de circuit PCB au bus de puissance est plane, le plan de référence est un cuivre mince PCB intacte, son rôle dans la conception appareil portable à puce PCB est extrêmement important. Sans de bons paramètres de conception
plan de test, il est impossible d'atteindre la haute performance et répondre à l'appareil portable intelligent produit exigences EMI. Bonne puissance / plan de masse du dispositif portable conçu de manière que le système de transfert d'énergie a été bien [10], mais aussi jouer un rôle dans l'amélioration de l'intégrité du signal et le contrôle des interférences électromagnétiques. Bon PDS planes conception présente les avantages suivants: (1) pour tous les périphériques fournissent une tension de référence propre et stable dans la plage de haute fréquence sur le circuit imprimé. (2) à haute vitesse d'un trajet de retour de signal de faible impédance, de sorte que la transmission de signaux à haute vitesse devient possible d'assurer une transmission de véhicule à grande vitesse sur le circuit imprimé. les signaux RF sont généralement des traces de microruban ou triplaque sur le circuit imprimé est terminée, le retour ligne de courant situé directement au-dessous du signal de l'impédance de boucle minimum. (3) fournissent une impédance de trajet de retour de minimum et de la zone de boucle réduit, réduisant ainsi le circuit de rayonnement pour des signaux à grande vitesse.
En résumé, la conception de l'avion PDS fournit un trajet de courant à faible impédance pour le courant, ce chemin de faible impédance pour améliorer l'efficacité de transfert de puissance, de la qualité de transmission de signaux à grande vitesse et réduit le problème de signaux à grande vitesse EMI.
3 Conclusion
base de l'auteur depuis de nombreuses années engagé dans le travail de conception appareil portable à puce PCB, sous différents angles analyse approfondie et l'étude du système de distribution d'énergie appareil portable à puce PCB (PDS) méthode de conception proposée par la transmission en temps opportun de courant électrique ne peut être causé par la mauvaise conception et PDS pas une solution complète au problème des autres signaux. En même temps, les méthodes décrites ci-après beaucoup de tests pratiques, résolu le problème rencontré dans un grand nombre de pratiques d'ingénierie, de la sensibilité comme mentionné dans la discontinuité, le signal casque PDS crosstalk et le manque d'alimentation de commutation et d'autres questions. La méthode PDS appareil portable intelligent design carte de circuit imprimé et l'étude fournit une nouvelle direction. Règles de conception sont simples et faciles à comprendre. Au début de la conception, combinée avec l'outil de simulation conçu pour obtenir la cadence de meilleurs résultats. Cette méthode peut être efficacement appliquée à la conception intégrée du PDS.
références
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