Integridade de energia, rede de distribuição de energia e capacitores de desacoplamento

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Integridade de potência, PDN e capacitores de dissociação

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O contínuo escalonamento de silício fez com que o EM se tornasse um fator de design crescente em sistemas que dependem dos CIs da geração atual. O ruído do plano de energia é uma fonte significativa de problemas de integridade do sinal. Os avanços tecnológicos conseguiram integrar mais de um bilhão de transistores em um único chip. Mas o dimensionamento de transistores levou a problemas relacionados à rede de distribuição de energia (PDN). A integridade da energia é um atributo importante nos projetos digitais de alta velocidade e de nova geração. Não apenas para circuitos integrados específicos de aplicativos de alta potência (ASICS), mesmo os relógios e o SerDes são sensíveis a µV de ruído. Por outro lado, portas lógicas de alta velocidade podem criar ruído de alta frequência usando apenas alguns transistores.

O chip, o pacote, o PCB e o VRM contribuem para o ruído da fonte de alimentação de geração. O ruído da fonte de alimentação também é gerado devido à comutação do núcleo e da entrada e saída. As flutuações de tensão nos trilhos da fonte de alimentação dos transistores causam aumento da instabilidade e redução da margem de tensão. Essas flutuações influenciam diretamente a frequência de operação.

A velocidade dos sinais entre os ICs fora do chip aumentou constantemente acima de 112Gbps. A indústria do silício está desenvolvendo uma tecnologia que ajudará a uma velocidade superior a 1Tbps entre os ICs. Por exemplo, na integração 2.5D e 3D, os ICs são segmentados. A comunicação entre eles é através de interposers ou os CIs são empilhados um sobre o outro utilizando vias de silício.

A velocidade da comunicação entre os ICs determina a velocidade do sistema. Portanto, a interconexão e os pacotes desempenham um papel vital na decisão do desempenho do sistema geral.

O que você quer dizer com sinais de alta velocidade?

Muitos projetistas consideram sinais de 50 MHz e acima como alta velocidade. Depende da velocidade da borda – tempo de subida e descida de um sinal. Podemos gerar ruído de 10GHz com uma taxa de repetição de 1kHz do nosso gerador TDR. É tudo sobre velocidade de borda. Em outras palavras, a frequência de um sinal acima do qual uma placa de circuito impresso pode degradar significativamente o desempenho do circuito é denominada alta velocidade. O processo de design da placa de circuito impresso que leva em consideração a velocidade do sinal é definido como uma placa complexa ou de alta velocidade. Por exemplo, placas-mãe, roteadores e smartphones.

O que é barulho?

É algo que tende a obscurecer um sinal que esperamos ver. O sinal indesejado é definido como ruído. Tudo o que não queremos em um sinal é denominado ruído.

Ruído da fonte de alimentação

Sinal original sobreposto ao ruído. Crédito da imagem: reviseomatic.org

  • Ruído da fonte de alimentação
  • Ruído de comutação simultâneo

As redes de distribuição de energia geralmente são associadas a parasitas. Os parasitas sobre os quais estamos falando aqui são resistência e indutância. Cada vez que o circuito alterna, esses parasitas geram ruído entre Vdd e nós de terra do circuito de nível do transistor. Isso é referido como ruído da fonte de alimentação. Esse ruído se propaga através dos traços e capta reflexões e fala cruzada ao longo do caminho. Quando o sinal chega ao receptor, ele consiste no sinal originalmente pretendido, com ruído e conversas cruzadas incorporados. Os projetistas devem definir um orçamento de ruído para que você tenha um nível predefinido de ruído que possa ser tolerado no circuito.

O que é integridade de energia?

A integridade da energia (PI) está basicamente obtendo a energia apropriada para a carga da fonte de entrada. Para ser mais específico, trata-se de fornecer energia limpa aos transistores presentes na matriz de um CI. PI é a qualidade da energia fornecida aos circuitos presentes na matriz.

UMA morrer é o chip de silicone real encontrado dentro da embalagem. O dado está no pacote; a embalagem fica na placa de circuito impresso.

Na indústria eletrônica, a integridade da energia é a análise de quão efetivamente a energia é convertida e fornecida da fonte para a carga em um sistema. O ruído é gerado nas duas extremidades (a fonte e a carga). O VRM contribui com ruído, assim como a “carga” e, é claro, qualquer outra coisa na placa também pode contribuir com ruído via diafonia. O design da integridade da energia nada mais é do que gerenciar o ruído da fonte de alimentação. O gerenciamento do ruído da fonte de alimentação nos terminais de tensão e terra dos transistores, para que funcionem em alta velocidade, é chamado de design para integridade da energia.

Integridade de energia significa garantir que todos os circuitos e dispositivos sejam fornecidos com a energia apropriada para que o desempenho desejado do circuito seja alcançado. Não é apenas manter as tensões dentro dos limites permitidos. A maioria dos circuitos em um dispositivo é dedicada ao seu sistema de energia. Steve Sandler diz: "Os smartphones de hoje têm de 50 a 80% dos circuitos dedicados ao seu sistema de energia". Portanto, projetar um bom PDN se torna um aspecto primário.

Categorizamos as redes fundamentalmente em dois tipos:

  1. Integridade do sinal: Aqui nos concentramos em todas as interconexões. Linhas de transmissão. Confie no software Spice de simulação. Os parâmetros nos quais estamos interessados ​​aqui são o tempo de reflexão e aumento na saída do driver.
  2. Rede de distribuição de energia: é uma entidade autônoma. Os parâmetros em que estamos interessados ​​aqui são a impedância alvo. Segundo Steve Sandler, "a impedância alvo não funciona, a menos que a impedância também seja plana. A integridade do sinal causa integridade da energia e a integridade do poder causa integridade do sinal. ”

O que é rede de distribuição de energia (PDN)? (sistema de distribuição de energia e terra)

Um sistema de distribuição de energia consiste em uma fonte de alimentação, uma carga e linhas de interconexão (linhas de transmissão).

O projeto das redes de distribuição de energia e terra tornou-se uma tarefa desafiadora com a miniaturização em circuitos integrados. Esses desafios surgem de tempos de transição mais curtos, margens de ruído mais baixas, correntes mais altas e densidades de corrente aumentadas. Além disso, a tensão da fonte de alimentação diminuiu para diminuir a dissipação dinâmica de energia. O aumento no número de transistores aumenta a corrente total consumida na rede de fornecimento de energia. Simultaneamente, a velocidade de comutação mais alta desses transistores produz transientes de corrente maiores e mais rápidos na rede de distribuição de energia.

As flutuações nas tensões de alimentação são conhecidas como ruído da fonte de alimentação. O ruído da distribuição de energia nos terminais da carga deve ser mantido dentro das flutuações máximas de tensão permitidas para garantir a operação correta do sistema em geral. O sistema de distribuição de energia deve ser cuidadosamente projetado, fornecendo corrente suficiente para cada transistor.

A energia é fornecida através de uma rede de distribuição de energia que consiste em componentes passivos e interconecta da fonte à carga.

O PDN lida com a força e o terreno que são implementados em todo o design. Consiste em vários subsistemas como IC, pacote e PCB. O IC PDN terá as frequências operacionais mais rápidas e a troca de sinal, enquanto o PCB PDN terá sinalização mais lenta.

Os designers especificam fontes de alimentação, módulos reguladores de tensão, capacitores, resistores e indutores para melhorar o desempenho do PDN. PDNs mal projetados causam maior dissipação de energia (menos vida útil da bateria), aumento do ruído em todo o sistema, causando falhas funcionais. O design inadequado também reduz o desempenho devido aos tempos de subida / queda mais lentos do sinal.

Se apenas a corrente contínua (CC) for levada em consideração, os ohm (P = I2R) ajudará a reduzir a dissipação de energia. Como é difícil reduzir a tensão operacional e a corrente necessária, podemos nos concentrar na redução da resistência. Como resultado, isso reduzirá a dissipação de energia. Mas, como estamos utilizando corrente alternada (corrente CA), devemos considerar a faixa de frequência. Portanto, em vez de resistência (R), a impedância (Z) deve ser levada em consideração durante o processo de projeto. Na análise de CA, bem como a resistência CC / DC, diminuir a impedância o mais baixo possível é o objetivo de reduzir as anomalias.

O ruído da fonte de alimentação é um fenômeno transitório que ocorre devido à troca rápida de transistores. O design do PDN é melhor realizado no domínio da frequência. É otimizado para atender ao valor da impedância alvo.

O objetivo do processo de design é garantir que a resposta do PDN nunca exceda a impedância alvo acima da largura de banda de frequência de interesse. No entanto, o Xilinx permite 5% para a faixa de tensão operacional, mas apenas 10mV para o ruído, uma vez que o ruído entra no PLL.

Gerenciando a integridade da energia

Existem dois tipos de circuitos a serem considerados ao trabalhar com um design de alto nível.

  1. Os circuitos do núcleo:

Os circuitos no nível do transistor que se comunicam dentro de um dado.

  1. Circuitos de entrada / saída:

Aqui a comunicação é entre transistores localizados em duas matrizes diferentes.

O design de produtos para o usuário final exige que as equipes de design se esforcem significativamente no planejamento de uma estratégia de EM eficaz que comece com a colaboração na rede de distribuição de energia (PDN) do IC e do sistema.

Os designers sempre trabalham para aumentar a frequência operacional de seus CIs. Ao reduzir o ruído da fonte de alimentação, a frequência operacional de um IC pode ser aumentada. A implicação feita aqui é que a modificação da rede de distribuição de energia afeta diretamente a frequência de operação do IC. Portanto, projetar um PDN eficiente é fundamental para sinais de alta velocidade.

  • Uma má distribuição de energia criará problemas de integridade do sinal.
  • A falta de integridade do sinal dificultará a rede de distribuição de energia.
  • Sinal e poder influenciam um ao outro. Eles estão intimamente ligados um ao outro.

O que é impedância alvo?

A impedância alvo representa o limite superior da impedância PDN que deve ser mantida em um sistema para que o ruído da fonte de alimentação não exceda um valor máximo. O ruído da fonte de alimentação não deve exceder a impedância alvo.

A impedância é uma função da resistência, capacitância e indutância e varia com a frequência. A impedância alvo é definida pela lei de ohm.

ZT = (VDD x Ondulação) / (50% x Imax)

  • VDD = tensão de alimentação
  • Ondulação é a porcentagem de tensão de alimentação (VDD) que os transistores podem tolerar sem falha.
  • Eumax é calculado a partir de energia e tensão.
  • 50% é o fator de correção que representa uma corrente média.

Este ZT é um parâmetro dependente da frequência, já que a corrente consumida Imax também pode mudar em função da frequência.

Conforme discutido na seção anterior, o objetivo é reduzir a impedância para um valor possível ao projetar um PDN. A redução da impedância requer uma impedância alvo e a determinação de onde ocorre a anti-ressonância.

Os projetistas incluem capacitores quando as impedâncias de anti-ressonância estão acima da impedância alvo (Z). Esses capacitores abaixam a impedância nessa frequência específica sem afetar o desempenho do PDN. A adição de capacitores, por sua vez, aumentará o custo do produto. Se a anti-ressonância for menor que a impedância alvo, nenhuma ação será necessária.

Aqui está um artigo sobre Steve Sandler, sobre teste de impedância ultra baixa, que pode ser do seu interesse, "Teste de impedância ultra baixa usando a técnica de medição de derivação de 2 portas".

O que são desacopladores de capacitores?

Os capacitores de desacoplamento são frequentemente implementados para reduzir a impedância de uma rede de distribuição de energia e fornecer a carga necessária aos circuitos de comutação, diminuindo o ruído da fonte de alimentação.

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Os capacitores de desacoplamento fornecem a carga necessária em tempo hábil e reduzem a impedância de saída do PDN geral. Praticamente, um capacitor de desacoplamento é eficaz apenas em uma faixa de frequência específica. A impedância de um capacitor de desacoplamento prático diminui linearmente com a diminuição da frequência e aumenta com o aumento da frequência. Este aumento na impedância de um capacitor de desacoplamento prático é devido à indutância parasitária do capacitor de desacoplamento. A impedância de um capacitor de desacoplamento atinge a impedância mínima na frequência ω = 1 √LC. Essa frequência é conhecida como frequência ressonante de um capacitor de desacoplamento.

Uma fonte de alimentação ideal:

  • Forneceria tensão consistente para a carga
  • Não permite a propagação de ruído CA da carga
  • Possui impedância CA de 0 ohms entre a energia e o terra

Os capacitores de desacoplamento são usados ​​para manter as tensões transitórias do trilho de força dentro dos limites permitidos.

Dois objetivos distintos que esses capacitores atendem são:

  • Fornecimento de carga: Eles permitem o fornecimento de carga local. Eles são considerados reservatórios de carga. Os circuitos que operam em velocidades de comutação mais altas terão acesso rápido ao reservatório de carga para extrair a corrente necessária. A dissociação de capacitores é uma maneira eficaz de fornecer a carga necessária a uma carga de corrente de comutação dentro de um curto período de tempo.
  • Filtragem: O ruído devido à comutação dos transistores será desviado para o terra.

Os capacitores de desacoplamento reduzem o ruído do núcleo Vdd, mas ocasionalmente melhoram o ruído da cavidade gerado pelos sinais de alta largura de banda.

Qual é a diferença entre integridade do sinal e integridade da energia?

A integridade do sinal e a integridade do poder estão intimamente relacionadas, mas também são duas coisas independentes.

Integridade do sinal (SI) é a medida da qualidade de um sinal elétrico normalmente em uma placa de circuito impresso eletrônica. Um fluxo de valores binários é representado por uma forma de onda de tensão (ou corrente) em um sistema digital. Mas, no sentido prático, os sinais digitais são fundamentalmente de natureza analógica e todos os sinais estão sujeitos a efeitos como ruído, distorção e perda..

Comparando SI e PI

SIPI
Análise baseada emLinhas de transmissãoAviões de transmissão
Impedância típica

Metas

Correspondência de nível de impedância de cerca de 50 OhmsEm mili Ohms (geralmente não tem impedância definida para corresponder)
Subconjunto de AnáliseProcuramos a qualidade do sinalProcuramos impedimentos, queda de CC, desacoplamento, impactos de ruído
Modelos necessáriosIBIS, SPICEADS, capacitores com parasitas
Alterações no projeto da placa de circuito impressoLargura do traço, comprimento, terminações de espaçamentoQuantidade de metal para transportar corrente,

Número / Valor / Montagem de Tampas,

Pares de planos de força / solo, Empilhamento

Como medir a integridade da energia?

Medições comuns de integridade de energia

  • PARD (distúrbios periódicos e aleatórios): ruído, ondulação (Vpp), transitórios – É o desvio da saída CC de seus valores médios com todos os outros parâmetros constantes. É uma medida dos componentes CA e ruído indesejáveis ​​que permanecem na saída CC após o circuito de regulação e filtragem.
  • Resposta de carga estática e dinâmica – É uma medida da capacidade do suprimento de permanecer dentro dos limites de saída especificados para uma carga predeterminada.
  • Drift de alimentação – as variações do tipo PARD que ocorrem abaixo de 20Hz são chamadas de drift.

HyperLynx

Outra ferramenta usada pelos designers é a ferramenta HyperLynx – Power Integrity.

Essa ferramenta identifica possíveis problemas de distribuição de integridade de energia e prevê o que pode interferir na lógica do design da placa. A ferramenta ajuda na análise da placa em um estágio inicial do ciclo de projeto e fornece uma idéia de como seus circuitos se comportarão.

O HyperLynx é integrado aos fluxos Xpedition e PADS Professional da Mentor e também funciona com todos os principais sistemas de layout de PCB.

Sistema de Design Avançado (ADS) da Keysight

O PIPro fornece análise de integridade de energia do PDN, incluindo análise de queda de IR CC, análise de impedância CA e análise de ressonância do plano de potência. O PIPro utiliza um ambiente comum de configuração e análise no ADS. É de propósito mais geral, pois pode incluir analógico, energia, RF e µWave simultaneamente.

Descontinuidades do caminho de retorno

As linhas de sinal são sempre roteadas na presença de um plano de distribuição de energia. Os planos de distribuição de energia servem como o caminho para as correntes de retorno das linhas de sinal. Quaisquer descontinuidades no caminho de retorno atual podem afetar a integridade do sinal.

Tanto em um pacote quanto em uma placa de circuito impresso, as interconexões são sempre roteadas na presença de tensão e planos de aterramento. Quaisquer descontinuidades no caminho de retorno atual causarão um problema com a velocidade do sinal de deslocamento.

A menos que você compreenda os loops atuais no sistema e as descontinuidades associadas a ele, é difícil prever as descontinuidades do caminho de retorno e seus efeitos na integridade do sinal da forma de onda.

Descontinuidades do caminho de retorno

Em PCBs normalmente temos planos de referência que estão conectados à energia ou à terra do driver. Quando o sinal e as correntes de retorno estão em fase, seus campos magnéticos se cancelam. Quando estão fora de fase, os campos magnéticos não se cancelam muito bem e, portanto, criam problemas (emissões irradiadas).

As descontinuidades do caminho de retorno (em locais de passagem) são mitigadas por capacitores ou unindo os planos usando vias, considerando que os planos têm o mesmo potencial CC. Essa abordagem de design fornece a continuidade necessária para as correntes de retorno e melhora a resposta do canal. A desacoplamento dos capacitores reduz a instabilidade. Capacitores de desacoplamento incorporados e dielétricos finos estão agora disponíveis comercialmente para melhorar a integridade do sinal e da energia.

Nota: As vias de costura fornecem continuidade do caminho de retorno quando os sinais viajam através de diferentes camadas e planos. Nunca direcione sinais de alta velocidade através de uma interrupção no plano de referência.

Conclusão

Com a crescente complexidade de PCBs e pacotes, o gerenciamento de PI e SI é bastante desafiador. Implementar cada vez mais capacitores de desacoplamento em PCBs e pacotes não é a solução certa.

Gostaríamos de agradecer a Steve Sandler por compartilhar suas idéias e tornar este artigo mais informativo.

Steve não apenas é o fundador e CEO da Picotest, mas também é o astro do rock no campo da integridade do poder. Ele está envolvido com a engenharia de sistemas de energia há quase 40 anos. Ele frequentemente dá palestras e lidera workshops internacionalmente sobre tópicos de energia, PDN e sistemas distribuídos e é um especialista certificado pela Keysight em software EDA. Caso você ainda não saiba disso …

Se você precisar de ferramentas de teste e medição de alta fidelidade para aplicações relacionadas à energia, encontrará tudo o que precisa no site do Picotest.

Estamos felizes em ter um especialista em integridade de energia ao nosso lado. Obrigado Steve!

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