Comment mettre en page les conceptions d'alimentation sur PCB

Comment mettre en page la conception de votre circuit imprimé d’alimentation électrique

Une fois que vous avez saisi un schéma pour une conception à grande vitesse – ou du moins une partie – quelle est la meilleure façon de commencer le placement ? Je conçois un circuit imprimé un peu comme une ville nouvelle zonée, comme celle où j’ai grandi.

• Des zones distinctes pour les installations industrielles, les centres commerciaux et les zones résidentielles.
• Bonne communication à l’intérieur et avec le monde extérieur
• L’électricité et l’eau sont fournies séparément à chaque zone. Les eaux usées sont acheminées avec soin avant de retourner dans la nature. Une partie de l’eau provenant des zones industrielles est traitée avant de rejoindre le reste.

Quelles sont les «  »zones » » pour le petit Internet des objets (IOT) dans le PCB ? Je vais l’utiliser comme exemple.

• Numérique : Haute vitesse, USB, DDR SDRAM, etc. ainsi que le système sur puce qui contrôle tout cela.
• RF : une antenne de suivi des satellites
• Analogique : Y compris un convertisseur analogique-numérique (A/N)

Commencer par la conception du schéma

Un peu de travail sur le schéma facilite grandement les choses. La première chose que j’ai faite a été de diviser le circuit en blocs hiérarchiques – un pour chaque zone. C’est facile dans eCADSTAR et une fois que j’ai fait cela, je peux même les partager avec d’autres ingénieurs. Quelques composants n’appartiennent pas à une seule zone, ils sont donc restés tels quels.

Le module du système sur puce (SOC) se connecte aux E/S numériques, aux E/S analogiques et à une antenne RF. Le module principal contrôle les E/S analogiques via une interface périphérique série (SPI) vers un convertisseur A/N et des commutateurs d’isolation, menant à un connecteur. Le convertisseur A/N possède des E/S analogiques et numériques, il est donc à la frontière entre les parties analogiques et numériques de la conception.

L’interface USB est numérique et l’antenne RF, avec son amplificateur à faible bruit (LNA), a des exigences de routage et de mise à la terre extrêmement sensibles et spécifiques.

Placement initial de l’alimentation de votre circuit imprimé

Le circuit comporte des parties numériques, analogiques et RF distinctes que nous pouvons séparer dans la mise en page pour contrôler la distribution de l’alimentation. L’essentiel est de séparer les retours de masse jusqu’à ce qu’ils s’unissent et retournent à leur source. De cette façon, les défauts d’un circuit n’affectent pas les autres. Par exemple, les capteurs analogiques peuvent être très sensibles aux perturbations de la masse ou de l’alimentation. Dans certains cas, l’alimentation passe par des « traitements », tout comme l’alimentation en eau de la ville. Il s’agit de composants tels que les billes de ferrite, mais il est révélateur qu’ils soient encore appelés « filtres ». Ils sont là pour s’assurer que même si le courant est un peu sale d’un côté, il est propre de l’autre.

Dans ce cas, le circuit d’antenne RF en bas à gauche partage son retour de masse avec la section numérique, bien que les notes d’application nous avertissent de clouer le métal de masse au plan de masse principal avec de nombreux vias.

L’interface analogique du capteur, avec ses interrupteurs d’isolation contrôlés par SDI, se trouve en haut.

La division passe par un composant situé à peu près au milieu à gauche. Il s’agit du convertisseur A/N. Ses broches sont connectées aux bus d’alimentation analogique et numérique, de sorte que ce dispositif chevauche les zones analogique et numérique. Il ne s’agit que d’un placement approximatif d’une conception incomplète, mais vous pouvez toujours regrouper les composants en fonction de leur retour à la terre et les affecter à des zones de placement dans eCADSTAR PCB. De cette façon, aucun d’entre eux ne s’éloignera de son territoire lorsque la conception deviendra plus encombrée. S’il existe des plans de masse internes continus, vous pouvez séparer les zones par la surface supérieure et inférieure du PCB ainsi que dans le plan horizontal.

Vous remarquez quelque chose?

Que pensez-vous de cette division approximative du convertisseur A/N ? Est-elle au bon endroit ? Pourrions-nous mieux orienter ce composant ? Il est préférable de le découvrir avant que la conception ne devienne plus dense.

Il y a beaucoup de silicium analogique dans cet appareil. La société qui le fabrique a même « Analog » dans son nom. C’est un indice important. Il n’y a qu’une seule masse numérique (DGND) mais six masses analogiques (AGND). Il vaudrait peut-être mieux placer la séparation des plans sur la longueur de ce composant plutôt que sur sa largeur.

Modèles et mise en forme pour la conception de votre circuit imprimé d’alimentation électrique

Une fois la conception finalisée, ces divisions grossières doivent devenir du vrai cuivre. C’est là que j’apprécie vraiment les formes de gabarit complètes d’eCADSTAR et les ajustements complexes que vous pouvez effectuer pour les optimiser. Les gabarits s’adaptent automatiquement aux autres modifications de la conception et le font rapidement, de sorte que si vous maintenez les composants dans leurs zones respectives, le reste se fait tout seul.

Vérification détaillée de l’alimentation du PCB

Lorsque vous pensez avoir tout compris, il est temps de vous en assurer. Plus vous repoussez les limites de la conception, plus vous en avez besoin, mais il est toujours facile d’oublier des détails importants qui pourraient déclencher un nouveau départ. Dans une conception, j’avais utilisé le mauvais via et je ne m’en suis rendu compte que lorsque j’ai constaté que la puissance transmise à un circuit intégré était insuffisante.
Cela vaut la peine de vérifier les bus du système d’alimentation avec l’analyse PI/EMI d’eCADSTAR pour s’assurer que la distribution de l’alimentation n’est pas seulement correcte, mais aussi optimisée pour une résilience maximale. Cela renforce votre conception contre l’inattendu, mais aussi contre ce à quoi vous avez pensé. Les informations sont obtenues à l’aide des mêmes modèles de simulation que les outils d’intégrité des signaux eCADSTAR, mais vous pouvez les compléter, par exemple, en modifiant les via avec des seuils de courant, etc. Plus vous mettez de détails, plus vous obtenez d’informations. L’une des choses les plus faciles et les plus utiles à vérifier est la distribution de la tension continue, mais vous pouvez faire bien plus que cela.

Enfin des réflexions sur les conceptions d’alimentation

Je n’ai pas montré beaucoup de détails ici. Ce n’est qu’une façon de voir les choses. La distribution d’énergie n’est pas plus statique que, par exemple, la conception de mémoires. Les solutions d’hier peuvent ne pas fonctionner du tout ou être surdimensionnées à mesure que les concepteurs de circuits intégrés deviennent plus intelligents et nous aident à progresser. Il est toujours utile de lire les notes d’application pour se tenir au courant. La ville où j’ai grandi était nouvelle lorsque nous y avons emménagé. Au-dessus d’un passage piéton envahi par la végétation se trouve un panneau rouillé. Il ressemble un peu à ceci. Aujourd’hui, les piétons empruntent un autre chemin et il y a une piste cyclable.