Kluczowe wskazówki dotyczące niezawodnych sieci dystrybucji zasilania w szybkich płytkach PCB

W urządzeniach napędowych o dużej prędkości, takich jak routery 5G, serwery centrów danych i zaawansowane systemy ADAS w motoryzacji, sieć dystrybucji mocy (PDN) jest podstawą niezawodnej pracy.Słabo zaprojektowany PDN powoduje spadek napięcia, interferencji elektromagnetycznych (EMI) i problemów z integralnością sygnału, prowadzących do awarii systemu, skrócenia długości życia lub nieudanych testów EMC.Badania pokazują, że 60% awarii szybkich płyt PCB wynika z wad PDNW tym przypadku, w przypadku, gdy nie ma odpowiedniego odłączenia lub uszkodzenia płaszczyzny naziemnej, dobra wiadomość jest taka, że można uniknąć tych problemów poprzez celowe projektowanie: odłączenie strategiczne, zoptymalizowane układy płaszczyzny, śledzenie/przez dostosowaniei wczesna symulacjaW niniejszym przewodniku podzielone są krytyczne kroki do zbudowania solidnej sieci PDN, która dostarcza czystą, stabilną energię nawet przy prędkościach powyżej 10 Gbps.

Kluczowe wnioski
1. Odłączenie nie jest negocjowalne: umieszcz kondensatory o mieszanych wartościach (0,01 μF100 μF) w promieniu 5 mm od pinów zasilania IC w celu blokowania hałasu o wysokiej/niskiej częstotliwości; użyj równoległych przewodów do obniżenia indukcji.
2.Lotniki tworzą lub niszczą PDN: stałe, blisko rozmieszczone płaszczyzny zasilania/ziemi zmniejszają impedancję o 40~60% i działają jak naturalne filtry.
3.Optymalizacja śladów: utrzymywanie śladów w krótkim/szerokim zakresie, usuwanie nieużywanych poprzez sztabki (poprzez wiertnicze wiercenie) i używanie wielu przewodów w pobliżu komponentów o wysokim prądzie, aby uniknąć wąskich gardła.
4.Symuluj wcześnie: narzędzia takie jak Ansys SIwave lub Cadence Sigrity łapią spadek napięcia, hałas i problemy cieplne przed prototypowaniem, oszczędzając ponad 30 godzin czasu na przeprojektowanie.
5Zarządzanie cieplne = długowieczność PDN: wysokie temperatury podwajają współczynnik awarii komponentów co 10°C; do rozpraszania ciepła używa się przewodów cieplnych i grubej miedzi.

Podstawy PDN: Integralność zasilania, Integralność sygnału i Stack-Up warstwy
Niezawodna sieć PDN zapewnia dwa podstawowe wyniki: integralność mocy (stabilne napięcie z minimalnym hałasem) i integralność sygnału (czysty sygnał bez zniekształceń).Obie zależą od dobrze zaprojektowanej warstwy, która minimalizuje impedancję i zakłócenia.

1Integralność energii: podstawa stabilnej eksploatacji
Integralność zasilania (PI) oznacza dostarczanie stałego napięcia do każdego komponentu bez spadku, wzrostu lub hałasu.

a. Szerokie szlaki mocy lub płaszczyzny: płaszczyzny mocy stałych mają 10 razy mniejszy opór niż wąskie szlaki (np. szlak o szerokości 1 mm w porównaniu z płaszczyzną mocy o szerokości 50 mm2), zapobiegając spadku napięcia.
b.Kondensatory odłączające o mieszanej wartości: Kondensatory masowe (10 μF ≈ 100 μF) w pobliżu wejściowych źródeł zasilania obsługują hałas niskiej częstotliwości; kondensatory małe (0,01 μF ≈ 0,1 μF) za pomocą pinów IC blokują hałas wysokiej częstotliwości.
c.Grube warstwy miedzi: 2 uncje miedzi (w porównaniu z 1 uncją) zmniejszają opór o 50%, zmniejszając nagromadzenie ciepła i utratę napięcia.
d.Nieprzerwane płaszczyzny naziemne: Unikaj rozpadów. Złamane płaszczyzny naziemne zmuszają prądy zwrotne do podjęcia długich ścieżek o wysokiej indukcji, powodując hałas.

Critical Metric: Cel impedancji PDN <1 ohm od 1 kHz do 100 MHz. Powyżej tego progu hałas napięcia (V = I × Z) staje się znaczący, zakłócając wrażliwe komponenty, takie jak FPGA lub układy RF.

2Integralność sygnału: jak PDN wpływa na sygnały
Zły projekt PDN bezpośrednio niszczy integralność sygnału (SI).

a. Dzwonienie/przekroczenie: sygnały odbijają się powyżej/poniżej napięcia docelowego, co prowadzi do błędów danych.
b.Błyskawiczne przesyłanie: hałas ze szyn zasilania przecieka do śladów sygnału, zakłócając dane o dużej prędkości (np. PCIe 5.0).
c. Odbicie na ziemi: szczyty napięcia na płaszczyźnie naziemnej w przypadku szybkich zmian prądu (często występujące w regulacjach przełączania).

Rozwiązać te problemy:

a.Skorzystanie z płaszczyzn mocy w celu zapewnienia ścieżek powrotnych o niskiej impedancji dla sygnałów.
b. Umieszczanie kondensatorów odłączających w odległości 2 mm od szybkich układów IC (np. mikroprocesorów) w celu łagodzenia szczytów napięcia.
c. Routerujący sygnały dużych prędkości między płaszczyznami naziemnymi (ochraniając je przed EMI).

Poniższa tabela podsumowuje wady PDN i ich wpływ na SI:

3. Stack-up warstwy: zoptymalizuj wydajność PDN
Powierzchniowe układanie jest "planem" sukcesu PDN - określa, w jaki sposób wchodzi w interakcje zasilanie, uziemienie i sygnały.

a. Pary mocy i płaszczyzn ziemskich: Umieść je obok siebie (oddzielone cienką warstwą dielektryczną, 0,1 mm ≈ 0,2 mm).Tworzy to naturalną pojemność (C = εA / d), która filtruje hałas o wysokiej częstotliwości i obniża impedancję AC.
b.Blokuj sygnały dużych prędkości: Strony sygnału trasy między dwiema płaszczyznami naziemnymi (np. Ziemia → Sygnał → Ziemia).
c. Użyj przewodów szyjących: połącz płaszczyznę naziemną w warstwach z przewodami rozmieszczonymi 5 mm/10 mm od siebie (zwłaszcza wokół krawędzi deski).
d. Równowaga układu: zapewnienie symetrycznej liczby warstw (np. 4-warstwa: sygnał → moc → ziemia → sygnał), aby zapobiec wypaczaniu podczas produkcji.

Przykład 4-warstwowego układania w stosunku do PCB dużych prędkości:

1Najwyższa warstwa: sygnały dużych prędkości (np. Ethernet, USB4)
2Warstwa 2: płaszczyzna mocy (3.3V)
3Warstwa 3: Poziomowa płaszczyzna (solidna, nienaruszona)
4Poziom dolny: sygnały niskiej prędkości (np. czujniki, wejścia zasilania)

Podstawowe strategie projektowania PDN
1Odłączenie: blokowanie hałasu u źródła
Kondensatory odłączające działają jako "lokalne banki zasilania" dla układów stacjonarnych: przechowują ładunek i uwalniają go, gdy popyt na prąd wzrasta, zapobiegając spadkom napięcia.

a. Wybór właściwych wartości kondensatora
Wykorzystanie mieszanki wartości dla wszystkich zakresów częstotliwości:

Kondensatory masowe (10 μF ∼100 μF): Umieszczane w pobliżu złączy zasilania (np. złączy prądu stałego) w celu obsługi hałasu niskiej częstotliwości (1 kHz ∼1 MHz) z regulatorów napięcia.
Kondensatory średniego zasięgu (1 μF ∼0,1 μF): Umieszczone 2 mm ∼5 mm od układów IC w celu filtrowania hałasu średniej częstotliwości (1 MHz ∼10 MHz).
Kondensatory wysokiej częstotliwości (0,01 μF ∼0,001 μF): Umieszczone bezpośrednio obok pinów zasilania IC (≤ 2 mm) w celu blokowania hałasu wysokiej częstotliwości (10 MHz ∼100 MHz).

Wskazówka: Połączyć kondensatory równolegle (np. 10 μF + 0,1 μF + 0,01 μF) w celu stworzenia "filtra szerokopasmowego", który obejmuje 1 kHz100 MHz.

b. Optymalizacja umieszczenia kondensatora i trasy
Minimalizuj powierzchnię pętli: ścieżka od kondensatora → klatki zasilania IC → klatki uziemienia IC → kondensatora powinna być jak najmniejsza.
Przewody równoległe: do podłączenia do płaszczyzn zasilania / uziemienia należy użyć 2 ∼ 3 przewodów na kondensator. To obniża indukcyjność o 30 ∼ 50% (w porównaniu z pojedynczym przewodem).
Kondensatory rozkładowe dla układów wielozadaniowych: w przypadku układów z pinami zasilania na wielu stronach (np. BGA) kondensatory umieszcza się po każdej stronie, aby zapewnić równomierne dostarczanie mocy.

c. Unikaj powszechnych błędów związanych z oddzieleniem
Zbyt mało kondensatorów: pojedynczy kondensator 0,1 μF nie może obsłużyć zarówno hałasu o wysokiej, jak i niskiej częstotliwości.
Kondensatory zbyt odległe od układów stacjonarnych: powyżej 5 mm, indukcyjność śladowa neguje efekt blokowania hałasu kondensatora.
Niewłaściwe rozmiary opakowań: do kondensatorów o wysokiej częstotliwości należy użyć opakowań 0402 lub 0603; większe opakowania (np. 0805) mają wyższą indukcję.

2Projektowanie samolotów: tworzenie ścieżek o niskiej impedancji
Płaszczyzny mocy i naziemnej są najbardziej skutecznym sposobem na zmniejszenie impedancji PDN, zapewniają one duży, ciągły obszar miedzi z minimalnym oporem.

a. Najlepsze praktyki w zakresie samolotu napędowego
Użyj płaszczyzn stałych (bez cięć): szczeliny lub cięcia tworzą "anteny szczeliny", które emitują EMI i przerywają ścieżki prądu.3V analogowa szyna).
Płyty wielkości dla prądu: Płyt mocy o powierzchni 50 mm2 może przenosić 5A (2 uncji miedzi, wzrost o 60 °C)  skalować do większych prądów (np. 10A potrzebuje 100 mm2).
Umieść płaszczyznę w pobliżu ziemi: sąsiednie płaszczyzny zasilania/ziemi (0,1 mm dielektryczne) tworzą pojemność 100-500 pF, która filtruje hałas bez dodatkowych komponentów.

b. Najlepsze praktyki w zakresie płaszczyzny naziemnej
Jednorazowa płaszczyzna naziemna: dla większości projektów, jedna płaszczyzna naziemna jest lepsza niż podzielone płaszczyzny.połączyć dwie płaszczyzny w jednym punkcie (ziemnienie gwiazd), aby uniknąć pętli ziemskich.
Okryć całą płytę: Rozszerzyć płaszczyznę podłoża do krawędzi płyty (z wyjątkiem złączy), aby zmaksymalizować osłonę.
Szycie z przewody: Użyj przewód (0,3 mm ≈ 0,5 mm) rozmieszczonych 5 mm ≈ 10 mm od siebie, aby połączyć płaszczyzny naziemne w warstwach.

Poniższa tabela przedstawia korzyści płynące z projektowania samolotów:

3. Optymalizacja śladowa: unikanie wąskich gardeł
Nawet w przypadku świetnych samolotów, zła konstrukcja śladu / przejścia może zrujnować wydajność PDN.
a. Projektowanie śladów
Utrzymuj krótkie ślady: Długie ślady (≥ 50 mm) zwiększają opór i indukcyjność  przeprowadzają ślady mocy bezpośrednio z płaszczyzn do układów scalonych.
Użyj szerokich śladów: W przypadku ścieżek wysokiego prądu (np. regulatorów napięcia do układów IC) użyj śladów o szerokości ≥1 mm (2 uncji miedzi) do przenoszenia 2A+ bez spadku napięcia.
Unikaj sztubów: nieużywane sztuby śladowe (≥3 mm) działają jak anteny, emitując EMI i powodując odbicia sygnału.

b. Za pośrednictwem projektu
Usunięcie stubów za pomocą odwiertów: Via stubs (część via poza warstwą docelową) powoduje rezonans na wysokich częstotliwościach (np. 10 Gbps).
Wykorzystanie wielu przewodów dla dużego prądu: pojedynczy przewod 0,5 mm może przenosić ~ 1A – użyć 2 – 3 przewodów dla ścieżek 2A – 3A (np. odłączanie kondensatorów od płaszczyzn).
Wielkość przewodów do pracy: dla przewodów sygnałowych użyj otworów o średnicy 0,3 mm ≈ 0,4 mm; dla przewodów mocy użyj otworów o średnicy 0,5 mm ≈ 0,8 mm w celu zminimalizowania oporu.

c. Ścieżki cieplne
Szybkie płytki PCB wytwarzają ciepło (np. 10 W z procesora), co zwiększa opór śladowy i pogarsza wydajność PDN.

Pod gorącymi elementami: umieszczanie 4 ̇6 przewodów termicznych (0,3 mm otworów) pod BGA, regulatorami napięcia lub wzmacniaczami mocy.
Podłączenie do płaszczyzny naziemnej: przewody cieplne przenoszą ciepło z elementu do płaszczyzny naziemnej, która pełni rolę ciepłoodpornego.

Zaawansowane rozważania dotyczące projektowania PDN
1Narzędzia symulacyjne: testy przed budową
Symulacja jest najlepszym sposobem wczesnego wykrycia wad PDN, zanim poświęcisz czas i pieniądze na prototypy.

Przepływ pracy symulacji dla PDN
1.Wstępny układ: modelowanie układu warstwy i umieszczenia kondensatora w celu przewidzenia impedancji.
2.Po układzie: Wyciągnięcie wartości pasożytniczych (R/L/C) z układu PCB i uruchomienie symulacji spadku napięcia.
3.Symulacja termiczna: sprawdzenie, czy nie występują gorące punkty (≥ 85°C), które mogłyby pogorszyć wydajność PDN.
4.EMI symulacja: Upewnij się, że PDN spełnia normy EMC (np. część 15 FCC) poprzez skanowanie w celu wykrycia promieniowanych emisji.

Badanie przypadku: Zespół PCB w centrum danych wykorzystał Ansys SIwave do symulacji swojego PDN – odkryli 2-ohm impedancji szczytowej w 50 MHz, który ustalono poprzez dodanie 0,01 μF kondensatorów..

2. Kontrola EMI/EMC: Kontrola hałasu
Szybkie sieci PDN są głównymi źródłami EMI, a szybkie układy IC generują hałas, który może nie spełniać testów EMC.

a.Optymalizacja układu układowego: 4-warstwowe układy układowe (Signal → Power → Ground → Signal) zmniejszają emisję promieniowania o 1020 dB w porównaniu z 2-warstwową płytą.
b.Zminimalizuj powierzchnie pętli: pętla zasilania (płaszczyzna zasilania → IC → płaszczyzna podłoża) powinna wynosić < 1 cm2 ̇ mniejsze pętle promieniować mniej EMI.
c. wejścia zasilania filtrów: dołączenie do linii zasilania ferrytowych lub filtrów LC (np. wejście 12 V) w celu zablokowania przeprowadzonego EMI.
d. Osłaniaj hałaśliwe elementy: W celu powstrzymania EMI używaj metalowych osłon wokół regulatorów przełączania lub chipów RF.

Poniższa tabela przedstawia skuteczność zmniejszania EMI:

3Zarządzanie cieplne: ochrona długowieczności PDN
Ciepło jest najgorszym wrogiem PDN. Każdy wzrost temperatury o 10°C podwaja wskaźnik awarii komponentów i zwiększa odporność miedzi o 4%.

a.Gęste warstwy miedzi: 2 uncje miedzi (w porównaniu z 1 uncją) mają o 50% mniejszą odporność i szybciej rozpraszają ciepło.
b.Przewody termiczne: Jak wspomniano wcześniej, przewody umieszcza się pod gorącymi komponentami w celu przenoszenia ciepła do płaszczyzn naziemnych.
c. rozpuszczalniki ciepła: w przypadku komponentów o dużej mocy (np. regulatorów napięcia 5W) dodaj rozpuszczalniki ciepła z pastą termiczną do niższej temperatury połączenia.
d. Wlewy miedziane: dodaje się wlewy miedziane (połączone z ziemią) w pobliżu gorących elementów w celu rozprzestrzeniania ciepła.

Powszechne błędy PDN do uniknięcia
1Nieodpowiednie oddzielenie
Błąd: Użycie jednej wartości kondensatora (np. tylko 0,1 μF) lub umieszczenie kondensatorów >5 mm z układów stacjonarnych.
Konsekwencja: rozruch napięcia, EMI i niestabilne szlaki zasilania, prowadzące do awarii układu integracyjnego lub niepowodzeń w testach EMC.
Naprawa: Użyj kondensatorów o mieszanej wartości (0,01 μF, 0,1 μF, 10 μF) w promieniu 2 mm ̇5 mm od pinów IC; dodaj równoległe przewody.

2Słaba droga powrotna.
Błąd: Routing sygnałów przez podziały płaszczyzny naziemnej lub w pobliżu krawędzi planszy.
Konsekwencja: Przerwane ścieżki powrotne zwiększają rozmowę krzyżową, a sygnały EMI są zniekształcone i występują błędy w danych.
Naprawa: Użyj stałej płaszczyzny gruntu; sygnały drogowe między płaszczyznami gruntu; dodaj przewody gruntowe w pobliżu zmian warstw.

3. Ignorowanie walidacji
Błąd: pominięcie symulacji lub badania fizycznego (np. pomiar napięcia za pomocą oscyloskopu).
Konsekwencja: Niewykryte spadku napięcia lub gorące punkty ̇ płyty ulegają awarii w terenie lub podczas certyfikacji.
Naprawa: przeprowadzenie symulacji przed/po układzie; testowanie prototypów za pomocą oscyloskopu (mierzenie hałasu napięcia) i kamery termicznej (kontrolowanie gorących punktów).

Częste pytania
1Jaki jest główny cel PDN w PCB dużych prędkości?
Głównym celem PDN jest dostarczanie czystej, stabilnej mocy (minimalny hałas napięcia, bez spadków) do każdego komponentu, nawet w przypadku wzrostu popytu na prąd (np. podczas przełączania układu IC).Zapewnia to integralność sygnału i zapobiega awariom systemu.

2Jak wybrać kondensatory odłączające dla płyty 10 Gbps?
Stosować mieszankę:

a.00,01 μF (wysokiej częstotliwości, ≤2 mm od pinów IC) w celu blokowania hałasu 10-100 MHz.
b.0.1 μF (średnia częstotliwość, 2 ′5 mm od IC) dla hałasu 1 ′10 MHz.
c.10 μF (wpływy mocy masowej w pobliżu mocy) dla hałasu 1 kHz1 MHz.
Wybierz pakiet 0402 dla kondensatorów o wysokiej częstotliwości, aby zminimalizować indukcję.

3Dlaczego stała płaszczyzna ziemi jest lepsza od śladów ziemi?
Stała płaszczyzna ziemi ma 10 razy mniejszy opór i indukcyjność niż ślady ziemi.i pełni funkcję odładowarki ciepła, która ma kluczowe znaczenie dla PCB dużych prędkości.

4Jak mogę przetestować PDN po zbudowaniu prototypu?
Pomiar hałasu napięcia: W celu sprawdzenia fal napięcia na szlakich zasilania należy wykorzystać oscyloskop (mierzyć na < 50 mV od szczytu do szczytu).
Badanie termiczne: W celu wykrycia gorących punktów należy użyć kamery termicznej (trzymać temperaturę < 85°C).
Badanie EMI: Wykorzystanie skanera EMI w celu zapewnienia zgodności z normami FCC/CE.

5Co się dzieje, jeśli impedancja PDN jest zbyt wysoka (> 1 ohm)?
Wysoka impedancja powoduje hałas napięcia (V = I × Z) ), na przykład, 1A popytu prądu z 2 ohm impedancji tworzy hałas 2V. To zakłóca wrażliwe komponenty (np, układy RF),prowadzące do błędów sygnału lub awarii systemu.

Wniosek
Niezawodna sieć PDN nie jest myślą późniejszą, jest podstawową częścią projektowania szybkich płyt PCB.i śledzenia/poprzez optymalizację – możesz zbudować PDN, który dostarcza czystą energięWczesne symulacje (z narzędziami takimi jak Ansys SIwave) i testy fizyczne są nienegocjalizowane.

Pamiętaj: Najlepsze PDN równoważą wydajność i praktyczność. Nie musisz nadmiernie inżynierować (np. 10 warstw dla prostej płyty czujników), ale nie możesz obniżyć kątów (np.przejście kondensatorów odłączających)W przypadku projektów o wysokiej prędkości (10 Gbps+) priorytetyzuj sąsiednie płaszczyzny zasilania/ziemi, odłączenie mieszanej wartości i zarządzanie cieplne.

W miarę jak elektronika staje się szybsza i mniejsza, projektowanie PDN będzie miało coraz większe znaczenie.W tym celu należy zwrócić uwagę na to, że wprowadzone wprowadzone wprowadzone wprowadzone wprowadzone.