PCB-Stromverteilung ist wie eine neue Stadt planen

Stromversorgung und Masseverteilung für Hochgeschwindigkeits-, HF- und Analog-Leiterplattendesign - und warum die Planung der Stromverteilung ein ähnliches Vorgehen ist wie bei der Stadtplanung erfo...

Wenn Sie einen Schaltplan für einen Hochgeschwindigkeitsentwurf – oder zumindest einen Teil davon – erfasst haben, wie beginnen Sie am besten mit der Platzierung? Ich stelle mir eine Leiterplatte so vor, als wäre sie ein bisschen wie eine zonierte neue Stadt, wie die, in der ich aufgewachsen bin.

  • Getrennte Bereiche für Industrieanlagen, Einzelhandelszentren und Wohngebiete
  • Gute Kommunikation nach innen und nach auße
  • Jede Zone wird separat mit Strom und Wasser versorgt. Sorgfältige Entsorgung des Abwassers, bevor es in die Natur zurückgeleitet wird. Ein Teil des Wassers aus Industriezonen wird vor der Einleitung in die übrigen Zonen behandelt.

    Super-simplified town plan
    Abbildung 1: Super-vereinfachter_Stadtplan

Was sind also die „Zonen“ für das kleine Internet der Dinge (IOT) in PCB? Ich werde ein Beispiel anführen.

  • Digital: High-Speed, USB, DDR SDRAM usw. sowie das System-On-Chip, das alles steuert
  • RF: Eine Antenne zur Verfolgung von Satelliten
  • Analog: Einschließlich eines Analog-Digital-Wandlers (A/D-Wandler)
Figure 2: Super-simplified power distribution
Abbildung 2: Super-vereinfachte Leistungsverteilung

Angefangen mit dem Schaltplan

Ein wenig Arbeit am Schaltplan macht die Sache viel einfacher. Als erstes habe ich die Schaltung in Hierarchieblöcke unterteilt – einen für jede Zone.  Das ist in eCADSTAR einfach, und sobald ich das getan habe, konnte ich sie sogar mit anderen Ingenieuren teilen. Einige wenige Komponenten gehören nicht nur zu einer Zone, also sind sie so geblieben, wie sie waren.

Das System-on-Chip (SOC)-Modul wird an digitale E/A, analoge E/A und eine HF-Antenne angeschlossen. Das Hauptmodul steuert analoge E/A über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) zu einem A/D-Wandler und Isolationsschaltern, die zu einem Steckverbinder führen. Der A/D-Wandler hat sowohl analoge als auch digitale E/A, welche sich an der Grenze zwischen dem analogen und dem digitalen Teil des Designs befinden.

Figure 3: Analog and A/D
Abbildung 3: Analog und A/D

Die USB-Schnittstelle ist digital und die HF-Antenne mit ihrem rauscharmen Verstärker (LNA) hat extrem empfindliche und spezifische Anforderungen an Routing und Erdung.

Figure 4: Digital and RF
Abbildung 4: Digital und RF

Platzierung

Es gibt verschiedene digitale, analoge und HF-Teile der Schaltung, die wir im Layout trennen können, um die Leistungsverteilung zu steuern. Der Schlüssel liegt darin, die Masse-Rückleitungen getrennt zu halten, bis sie sich vereinigen und zu ihrer Quelle zurückkehren. Auf diese Weise beeinflussen Störimpulse von einem Schaltkreis die anderen nicht. Beispielsweise können analoge Sensoren sehr empfindlich auf Masse- oder Leistungsstörungen reagieren. In einigen Fällen wird der Strom „behandelt“, genau wie die Wasserversorgung der Stadt. Dies sind Komponenten wie Ferritperlen, aber bezeichnenderweise werden sie immer noch „Filter“ genannt. Sie sind dazu da, sicherzustellen, dass selbst wenn der Strom auf der einen Seite etwas schmutzig ist, er auf der anderen Seite sauber ist.

In diesem Fall teilt sich die HF-Antennenschaltung unten links ihre Masse-Rückleitung mit dem Digitalteil, obwohl in den Anwendungshinweisen davor gewarnt wird, Masse-Metall mit vielen Durchkontaktierungen an die Hauptmassefläche zu nageln.

An der Spitze steht die analoge Sensorschnittstelle mit ihren SDI-gesteuerten Isolationsschaltern.

Die Teilung verläuft durch eine Komponente, die etwa Mitte-Links liegt. Das ist der A/D-Wandler. Er hat Stifte, die sowohl mit analogen als auch mit digitalen Strombussen verbunden sind, so dass dieses Gerät den analogen und den digitalen Bereich überbrückt. Dies ist nur eine grobe Platzierung eines unvollständigen Entwurfs, aber Sie können dennoch Komponenten nach der Erdrückleitung gruppieren und sie den Platzierungsbereichen in eCADSTAR PCB zuordnen. Auf diese Weise verlässt keiner von ihnen sein Territorium, wenn das Design immer voller wird. Vorausgesetzt, es gibt durchgehende interne Masseflächen, können Sie die Bereiche nach oberer und unterer PCB-Oberfläche sowie in der horizontalen Ebene trennen.

Figure 5: Digital and analog PCB areas
Abbildung 5: Digitale und analoge PCB-Bereiche

Haben Sie etwas bemerkt?

Wie steht es mit der groben Aufteilung durch den A/D-Wandler? Ist das an der richtigen Stelle? Könnten wir diese Komponente besser ausrichten? Am besten, Sie finden es heraus, bevor das Design kompakter wird.

In diesem Gerät befindet sich eine Menge analoges Silizium. Die Firma, die es herstellt, hat sogar „Analog“ in ihrem Namen. Das ist ein großer Hinweis. Es gibt nur eine digitale Masse (DGND), aber sechs analoge Massen (AGND). Der Ebenensplit könnte besser entlang der Länge dieses Bauteils statt entlang seiner Breite platziert werden.

Figure 6: A/D converter
Abbildung 6: A/D-Wandler

Templates und Formgebung

Sobald wir den Entwurf fertiggestellt haben, müssen diese groben Einteilungen zu echtem Kupfer werden. Hier gefallen mir die umfassenden Schablonenformen von eCADSTAR und die komplizierten Anpassungen, die man zur Optimierung vornehmen kann, sehr gut. Die Schablonenformen passen sich automatisch an andere Design-Änderungen an, und zwar schnell, so dass, wenn Sie Komponenten in ihren Bereichen belassen, sich der Rest von selbst erledigt.

Figure 7: Fine shape adjustments
Abbildung 7: Feineinstellungen der Form

Strombusse im Detail prüfen

Wenn Sie glauben, dass Sie alles richtig gemacht haben, ist es Zeit, sich zu vergewissern. Je mehr Sie an die Grenzen des Designs gehen, desto mehr brauchen Sie dies, aber es ist immer noch leicht, wichtige Details zu übersehen, die eine erneute Re-Design auslösen könnten.  Bei einem Design hatte ich das falsche Via verwendet und erfuhr es erst, als ich sah, dass nicht genug Strom zu einem IC durchkam.
Es lohnt sich, die Strombusse mit der eCADSTAR PI/EMI-Analyse zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die Stromverteilung nicht nur korrekt, sondern auch für maximale Belastbarkeit optimiert ist. Dadurch wird Ihr Design sowohl gegen das Unerwartete als auch gegen das, was Sie sich ausgedacht haben, geschützt. Es werden Informationen unter Verwendung derselben Simulationsmodelle wie die eCADSTAR-Signalintegritätstools abgeleitet, aber Sie können diese Informationen z.B. durch Änderung von Via mit aktuellen Schwellenwerten usw. ergänzen. Je mehr Details Sie eingeben, desto mehr kommen Sie heraus. Eines der einfachsten und nützlichsten Dinge, die Sie überprüfen können, ist die Gleichspannungsverteilung, aber Sie können noch viel mehr als das tun.

Figure 8: DC voltage map
Abbildung 8: Gleichspannungskarte

Zum Schluss

Ich habe hier nicht viele Details gezeigt. Dies ist nur eine Betrachtungsweise. Die Stromverteilung steht genauso wenig still wie, sagen wir, das Memory Design. Es kann sein, dass die Lösungen von gestern überhaupt nicht funktionieren oder dass sie übermäßig überarbeitet werden, wenn die IC-Designer klüger werden und uns weiterhelfen. Es lohnt sich immer noch, die Anwendungshinweise zu lesen, um auf dem Laufenden zu bleiben. Die Stadt, in der ich aufgewachsen bin, war neu, als wir dorthin gezogen sind. Über einer überwachsenen Fußgängerunterführung befindet sich ein verrostetes Schild. Es sieht ein bisschen so aus. Die Fußgänger gehen jetzt einen anderen Weg, und es gibt jetzt einen Fahrradweg.

town image for future

Jane Berrie
Jane BerrieSignal Integrity Expert, Zuken Tech Center, Bristol.
Jane Berrie ist seit den 1980er Jahren im Bereich EDA für PCB-Signalintegrität tätig. Ihre Artikel sind in vielen Publikationen weltweit erschienen - zu viele Male, um sie zu erwähnen. Jane Berrie war auch in der Vergangenheit Vorsitzende für 3D-IC-Design bei der jährlichen Design Automation Conference. Jane ist auch eine Innovatorin mit einer einzigartigen Perspektive, die ständig an neuen Lösungen in der sich schnell entwickelnden Welt des elektronischen Designs arbeitet. In ihrer Freizeit hat Jane thematische Wohltätigkeitsveranstaltungen organisiert - darunter zwei zu Gunsten von Rettungsbooten und dem Überleben des roten Eichhörnchens. Jane geht auch regelmäßig in die Disco.