PCBs for a Cooler Planet eCADSTAR Blog post

Coolere PCBs für eine bessere Umwelt

PCBs sind keine Kohlekraftwerke, aber sie sind überall, und wenn wir sie kühl halten, bleiben wir alle ein wenig kühler.

Unnötige Energie verpufft als Hitze. Diese Energie kann aus einem Kraftwerk ebenso wie aus einer Batterie kommen. Und schlimmer noch: Wenn Energie in einem Gebäude verpufft, verbraucht die Klimaanlage noch mehr Energie, um Beschäftigte und Maschinen kühl zu halten. Weniger Abwärme bedeutet in der Regel auch bessere Produkte. Wie wir Ingenieure wissen: die besten Designs sind auch die effizientesten.

Stromversorgung auf einer Leiterplatte

Früher geügte oft eine einzige Versorgungsspannung, z.B. +5V, als einziger Baustein auf einer Leiterplatte. Heute nicht mehr, denn:

  • PGAs, IOT-Module und viele andere Bauelemente unterstützen mehrere (oft konfigurierbare) IO-Standards, und diese benötigen eine Vielzahl von Versorgungsspannungen
  • Viele Bauelemente, einschließlich DDR 3/4/5 SDRAM, haben eine Kernversorgungsspannung, die sich von ihrer IO-Versorgung unterscheidet.
    DDR4 benötigt auch eine separate Wordline-Boost-Versorgung.
  • Zunehmend kommen analoge und HF-Schaltkreise gemeinsam mit digitalen Schaltungen auf einer Leiterplatte zum Einsatz. Diese Versorgungen benötigen eine sorgfältige Verteilung sowie separate Versorgungsspannungen.
  • Die End-of-Bus-Terminierung, zum Beispiel Adresse/Befehl auf DDR3, geht auf eine mittlere Terminierungsspannung (VTT). Es ist nicht gut genug, die Versorgungsspannung mit zwei Widerständen zu teilen. Diese Spannung muss stabil sein – deshalb noch eine weitere Versorgungsspannung

In vielen Designs benötigen Sie einen Bereich für DC-Versorgungsspannungen. Diese werden in der Regel mit DC/DC-Wandlern erzeugt. Linearregler alter Bauart sind keine wirklich gute Idee, es sei denn, die Leistung, die sie liefern, ist gering. Ein Linearregler hat oft ein großes Metallgehäuse. Das liegt daran, dass sie eine Menge Energie „abfackeln“. Ein moderner „Buck“-Regler ist dagegen viel effizienter – in der Regel mindestens 80%. Aber Buck-Wandler müssen sorgfältig ausgelegt werden, weil sie, ob mit oder ohne Gleichstrom, hohe Frequenzen verwenden und auslegungskritisch sind. Effizienter bedeutet weniger Abwärme.

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Abbildung 1: Einige DC/DC-Wandler sind effizienter als andere
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Abbildung 2: Lineare (links) und Buck-Regler (rechts), betrachtet im eCADSTAR Library Editor

Wenn Sie ein bewährtes DC/DC-Konverter-Layout haben, ist es eine gute Idee, es für die Wiederverwendung zu speichern. Sie haben bereits die Arbeit zur Auswahl eines effizienten Designs geleistet und wissen, dass das Layout keine EMV-Probleme mit sich bringt. Ich habe dieses gerahmt und einen Block im eCADSTAR PCB Editor erstellt. Ich habe diesen als ein Mini-PCB-Design gespeichert, das ich anderen Entwicklern zur Verfügung stellen kann, damit sie es einfach suchen und in ihr PCB-Layout einfügen können.

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Abbildung 3: Ein bewährtes DC/DC-Wandler-Layout lohnt die Wiederverwendung

High-Speed-Signale in eCADSTAR

Signale beeinflussen den Stromverbrauch in einer offensichtlichen und in einer weniger offensichtlichen Weise. Lassen Sie uns nach ein paar weniger offensichtlichen Arten graben.

Sie haben ein oder zwei Bänke mit SDRAM, aber Sie brauchen DDR4 nicht wirklich, und Sie haben einen Vorrat an DDR3.

Hier macht POD (Pseudo Open Drain) einen Unterschied. DDR4-Datensignale (DQ) verwenden es. Die Terminierung ist ODT (On-Die-Terminierung). Auch 1,2-V-Signale – und eine niedrigere Spannung bedeutet weniger Leistung.

Herkömmliche Open-Drain-Signale treiben nur in eine Richtung (in der Regel Low), und der High-Zustand wird durch einen Terminator auf VCC erzeugt, wenn die Treiber auf offenen Stromkreis umschalten. Diese, wie auch Open-Collector-Busse, waren vor der Einführung von Tristateblich. Wenn ein Fahrer eines Busses auf Tiefstand ging, ging der Bus auf Tiefstand und Strom wurde durch den Widerstand gezogen, in einer kuriosen Anordnung, die „wired-or“ genannt wurde.

Warum taucht er also wieder in Form von Pseudo-Open-Drain auf? Wegen des Stromverbrauchs. Noch besser ist, dass wir den Terminator-Strom verlieren können, wenn der Treiber zu schwach wird, da die On-Die-Terminierung nur dann eingeschaltet wird, wenn sie benötigt wird. Es handelt sich um einen „Pseudo“-Open-Drain, weil es einen starken Pulldown, aber einen schwachen Pullup am Treiber gibt, anstatt dass dieser fehlt. Es ist komplizierter als das, was ich hier gezeichnet habe, und es ist alles mit Halbleitern gemacht, und DQ-Signale sind bidirektional, aber ich hoffe, dass dies dazu beiträgt, die Idee zu zeigen.

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Abbildung 4: POD und ODT helfen bei der Leistungsreduzierung

Wirklich schnelle Differentialpaare folgen einem Schichtenprotokoll. PCI Express zum Beispiel besteht aus sieben Schichten. Um Strom zu sparen, möchte ich nur die ganz unten erwähnen: Schicht 1, die physikalische Schicht. Selbst dann gibt es eine Menge extrem komplexer und cleverer Dinge, wie die automatische Verbreitung von HF-Inhalten, Kodierung und Daten-Striping. Aber ich werde nur über das grundlegendste elektrische Bit und seine Beziehung zur Energieeinsparung sprechen: die beliebte Wahl der Niederspannungs-Differentialsignalisierung (LVDS). Die Leistung ist wirklich gering – etwa 1,2 mW, die an den Empfänger geliefert werden -, weil es Treiber im Strommodus verwendet. Das bedeutet nur, dass die Treiber statt mit einer garantierten Mindestspannung mit einem garantierten Mindeststrom signalisieren.

Außerdem erzeugt er aus Gründen, die ich in einem anderen Blog erwähnen könnte, eine wirklich niedrige EMV-Charakteristik.

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Abbildung 5: Das LVDS-Motto lautet “Gigahertz @ mW”.

Und Serialisierung bedeutet, dass Sie viele Informationen sehr schnell über jedes differentielle Paar senden können, so dass es viel energieeffizienter ist als herkömmliche Signalisierung.

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Abbildung 6: Serialisierung bedeutet mehr Daten für jedes mW (PCI-Express-Routing wird im eCADSTAR PCB Editor angezeigt)

Sie können E/A oft so konfigurieren, dass sowohl verschiedene Treibertypen als auch verschiedene Treiberstärken verwendet werden. Es ist klar, dass z.B. ein 8mA-Treiber mehr Strom verbraucht als ein 4mA-Treiber und mehr Übersprechen und Stromversorgungsrauschen erzeugt. Wenn also 4mA stark genug ist, ist es besser, ihn zu verwenden. Das Transientenverhalten ist hier der Schlüssel, da Strom, Spannung und Leistung sich in Hochgeschwindigkeitsschaltungen als Wellen ausbreiten. Das erzeugt Rauschen und Leistungsspitzen, wenn Treiber (wie Wellenmaschinen im Freizeitbad) Wellen auf die Leiterplatte übertragen.

Zum Schluss

Unseren Planeten ein bisschen besser zu kühlen, weil wir den Stromverbrauch unserer PCBs senken, ist nicht nur grün – es ist in vielerlei Hinsicht gute Technik. Wie coole Leute sagen: „Was kann man daran nicht mögen?

Jane Berrie
Jane Berrie Signal Integrity Expert, Zuken Tech Center, Bristol
Jane Berrie has been involved in EDA for PCB signal integrity since the 1980s. Her articles have appeared in many publications worldwide - too many times to mention. Jane is also a past session chair for 3D IC design at the annual Design Automation Conference. Jane’s also an innovator with a unique perspective, who constantly works on new solutions in the fast-evolving world of electronic design. In her spare time, Jane has organized themed charity events - including two in aid of lifeboats and red squirrel survival. Jane is also a regular disco-goer.