eCADSTAR-PCB-Power-Distribution

Pianifica la distribuzione di potenza di un PCB come una nuova città

La distribuzione dell'alimentazione e della massa per la progettazione ad alta velocità, RF e analogici di disegni PCB - e perché pianificarla, è un po' come pianificare una città

Una volta che hai catturato uno schema per un progetto ad alta velocità – o almeno una parte di esso – qual è il modo migliore per iniziare il posizionamento? Penso a un PCB un po’ come a una nuova città suddivisa in zone, come quella in cui sono cresciuto.

  • Aree separate per impianti industriali, centri commerciali e aree residenziali
  • Buone comunicazioni all’interno e verso l’esterno
  • Potenza e acqua fornite separatamente ad ogni zona. Acque di scarico instradate con cura prima di restituirle alla natura. Parte dell’acqua delle zone industriali trattata prima di unirsi al resto

    Super-simplified town plan
    Figura 1: Super-simplified town plan

Quindi quali sono le “zone” per un piccolo Internet of Things (IOT) in PCB? Userò un’ esempio.

  • Digitale: Alta velocità, USB, DDR SDRAM, ecc. così come il System-On-Chip che controlla il tutto
  • RF: Un’antenna di localizzazione satellitare
  • Analogico: Compreso un convertitore analogico-digitale (A/D)
Super-simplified power distribution
Figura 2: Super-simplified power distribution

Iniziamo con uno schematico

Un po’ di lavoro sullo schema rende le cose molto più facili. La prima cosa che ho fatto è stata quella di dividere il circuito in blocchi gerarchici – uno per ogni zona. Questo è facile in eCADSTAR e una volta fatto questo ho potuto anche condividerli con altri ingegneri. Alcuni componenti non appartengono a una sola zona, quindi sono rimasti com’erano.

Il modulo system-on-chip (SOC) si collega all’I/O digitale, all’I/O analogico e a un’antenna RF. Il modulo principale controlla l’I/O analogico tramite un’interfaccia periferica seriale (SPI) a un convertitore A/D e interruttori di isolamento, che porta a un connettore. Il convertitore A/D ha sia I/O analogico che digitale, quindi è al confine tra le parti analogiche e digitali del progetto.

Image of Analog and A/D
Figura 3: Analog and A/D

L’interfaccia USB è digitale e l’antenna RF, con il suo amplificatore a basso rumore (LNA) ha requisiti di routing e messa a terra estremamente sensibili e specifici.

Digital and RF
Figura 4: Digital and RF

Piazzamento iniziale

Ci sono parti distinte digitali, analogiche e RF del circuito che possiamo separare nel layout per controllare la distribuzione della potenza. La chiave è tenere separati i ritorni a terra finché non si uniscono e ritornano alla loro fonte. In questo modo, i glitch di un circuito non influenzano gli altri. Per esempio, i sensori analogici possono essere molto sensibili ai disturbi di terra o di alimentazione. In alcuni casi, l’alimentazione passa attraverso “trattamenti”, proprio come la fornitura di acqua della città. Si tratta di componenti come le perle di ferrite, ma è significativo che si chiamino ancora “filtri”. Sono lì per assicurarsi che anche se la potenza è un po’ sporca da un lato, è pulita dall’altro.

In questo caso, il circuito dell’antenna RF in basso a sinistra condivide il suo ritorno a terra con la sezione digitale, anche se le note applicative ci avvertono di inchiodare il metallo di terra al piano di terra principale con molti vias.

L’interfaccia del sensore analogico, con i suoi interruttori di isolamento controllati da SDI, è in alto.

La divisione passa attraverso un componente proprio al centro-sinistra. Questo è il convertitore A/D. Ha dei pin collegati a entrambi i bus di alimentazione analogici e digitali, quindi questo dispositivo è a cavallo tra l’area analogica e quella digitale. Questo è solo un posizionamento approssimativo di un progetto incompleto, ma potete comunque raggruppare i componenti secondo il ritorno a terra e assegnarli alle aree di posizionamento in eCADSTAR PCB. In questo modo, nessuno di loro si allontanerà dal proprio territorio quando il progetto diventa più affollato. A condizione che ci siano piani di massa interni continui, è possibile separare le aree in base alla superficie superiore e inferiore del PCB e al piano orizzontale.

Digital and analog PCB areas
Figura 5: Digital and analog PCB areas

Notate niente?

E la divisione approssimativa attraverso il convertitore A/D? È nel posto giusto? Potremmo orientare meglio quel componente? Meglio scoprirlo prima che il progetto diventi più denso.

C’è un sacco di silicio analogico in questo dispositivo. L’azienda che lo produce ha persino “Analog” nel suo nome. Questo è un grande indizio. C’è solo una massa digitale (DGND) ma sei masse analogiche (AGND). La divisione del piano potrebbe essere meglio posizionata lungo la lunghezza di questo componente invece che sulla sua larghezza.

A/D converter
Figura 6: A/D converter

Aree di rame e forme

Una volta che abbiamo finalizzato il design, queste divisioni grezze devono diventare vero rame. È qui che mi piacciono molto le forme delle aree di rame di eCADSTAR e le regolazioni intricate che si possono fare per ottimizzarle. Le forme delle aree si adattano automaticamente alle altre modifiche del progetto, e lo fanno velocemente, quindi se si mantengono i componenti nelle loro aree, il resto si adatta di conseguenza.

Fine shape adjustments
Figura 7: Fine shape adjustments

Controllo dei bus di alimentazione in dettaglio

Quando pensi di aver fatto tutto bene, è il momento di assicurartene. Più ci si spinge oltre i limiti del progetto, più si ha bisogno di questo, ma è ancora facile perdere dettagli importanti che potrebbero innescare un re-spin. In un progetto, ho usato la via sbagliata e l’ho scoperto solo quando ho visto che non c’era abbastanza potenza per un circuito integrato.

Vale la pena controllare i bus di potenza con l’analisi PI/EMI di eCADSTAR per assicurarsi che la distribuzione della potenza non sia solo corretta ma ottimizzata per la massima resilienza. Questo preserva il vostro progetto contro l’imprevisto oltre a quello che avete pensato. Ricava le informazioni usando gli stessi modelli di simulazione degli strumenti di integrità del segnale di eCADSTAR, ma potete aggiungerli, per esempio, modificando via con soglie di corrente, ecc. Più dettagli si inseriscono, più se ne ottengono. Una delle cose più facili e utili da controllare è la distribuzione della tensione DC, ma si può fare molto di più.

DC voltage map
Figura 8: DC voltage map

In conclusione

Non ho mostrato molti dettagli qui. Questo è solo un modo di pensarci. La distribuzione dell’energia non sta ferma più di quanto, per esempio, la progettazione della memoria. Le soluzioni di ieri potrebbero non funzionare affatto o potrebbero essere troppo ingegnerizzate man mano che i progettisti IC diventano più intelligenti e ci aiutano. Vale ancora la pena di leggere le note applicative per tenersi aggiornati. La città in cui sono cresciuto era nuova quando ci siamo trasferiti. Sopra un sottopassaggio pedonale troppo cresciuto c’è un cartello arrugginito. Assomiglia un po’ a questo. I pedoni vanno in un’altra direzione ora, e c’è una pista ciclabile.

Sign: Powerville Town_for future

Jane Berrie
Jane BerrieSignal Integrity Expert, Zuken Tech Center, Bristol.
Jane Berrie si occupa di EDA per l'integrità del segnale PCB dagli anni '80. I suoi articoli sono apparsi in molte pubblicazioni in tutto il mondo, troppe volte per essere menzionate. Jane è anche una ex presidente di sessione per la progettazione di circuiti integrati 3D all'annuale Design Automation Conference. Jane è anche un'innovatrice con una prospettiva unica, che lavora costantemente su nuove soluzioni nel mondo in rapida evoluzione della progettazione elettronica. Nel suo tempo libero, Jane ha organizzato eventi di beneficenza a tema, tra cui due a favore delle scialuppe di salvataggio e della sopravvivenza degli scoiattoli rossi. Jane è anche una frequentatrice abituale di discoteche.