Yüksek Hızlı PCB'lerde Güvenilir Güç Dağıtım Ağları için Temel İpuçları

Yüksek hızlı PCB'lerde 5G yönlendiricileri, veri merkezi sunucuları ve gelişmiş otomotiv ADAS sistemleri gibi güç sağlayan cihazlarda, Güç Dağıtım Ağı (PDN) güvenilir çalışmanın omurgasıdır.Kötü tasarlanmış bir PDN, gerilim düşmesine neden olur., elektromanyetik müdahale (EMI) ve sinyal bütünlüğü sorunları, sistem çökmelerine, kısaltılmış ömür sürelerine veya başarısız EMC testlerine yol açar.Çalışmalar, yüksek hızlı PCB arızalarının %60'ının PDN kusurlarından kaynaklandığını gösteriyor.İyi haber, bu sorunlar kasıtlı tasarımla önlenebilir: stratejik koparma, optimize edilmiş uçak düzenleri, izleme / ayarlama yoluyla,ve erken simülasyonBu kılavuz, 10 Gbps'den yüksek hızlarda bile temiz, istikrarlı güç sağlayan sağlam bir PDN oluşturmak için kritik adımları ayrıştırıyor.

Önemli Önemli Noktalar
1.Kapatma müzakere edilemez: Yüksek / düşük frekanslı gürültüyü engellemek için IC güç pinlerinden 5 mm uzaklıkta karışık değerlerde (0,01 μF ∼100 μF) kondansatörler yerleştirin; daha düşük indüktans için paralel viaslar kullanın.
2.Uçaklar PDN'yi yapar ya da kırar: Katı, yakın mesafeli güç/yer düzlemleri impedansı %40-60 oranında azaltır ve kesinlikle gerekli olmadıkça asla uçakları bölmez.
3. İzleme / optimizasyon yoluyla: İzleri kısa / geniş tutun, kullanılmayanları tüyleri kullanarak çıkarın (geri sondaj yoluyla) ve engellerden kaçınmak için yüksek akımlı bileşenlerin yakınında birden fazla vias kullanın.
4.Erken Simüle: Ansys SIwave veya Cadence Sigrity gibi araçlar prototip yapmadan önce voltaj düşüşlerini, gürültüyü ve ısı sorunlarını yakalar.
5.Termik yönetim = PDN uzun ömürlülüğü: Yüksek sıcaklıklar her 10 °C'de iki kat eleman arıza oranı; ısı dağıtmak için termal vias ve kalın bakır kullanın.

PDN Temelleri: Güç Bütünlüğü, Sinyal Bütünlüğü ve Katman Yükleme
Güvenilir bir PDN, iki temel sonucu sağlar: güç bütünlüğü (minimal gürültü ile sabit voltaj) ve sinyal bütünlüğü (distorsiyonsuz temiz sinyaller).Her ikisi de, impedans ve müdahaleyi en aza indiren iyi tasarlanmış bir katman yığımına bağlıdır..

1Güç Bütünlüğü: Istikrarlı İşlemin Temelleri
Güç bütünlüğü (PI), her bileşene tutarlı bir voltaj sağlamayı içerir.

a. Geniş güç izleri veya düzlemleri: Katı güç düzlemleri, voltaj düşüşlerini önleyen dar izlere göre 10 kat daha düşük direneğe sahiptir (örneğin, 1 mm genişliğinde bir iz 50 mm2 güç düzlemine karşı).
b.Karışık değerli koplama kondansatörleri: Güç girişlerinin yakınında bulunan toplu kondansatörler (10 μF ∼100 μF) düşük frekanslı gürültüyle başa çıkır; IC pinleri ile küçük kondansatörler (0,01 μF ∼0,1 μF) yüksek frekanslı gürültüyü engeller.
C. Kalın bakır katmanları: 2 oz bakır (bir oz'a karşı) direnci %50 azaltır, ısı birikmesini ve voltaj kaybını azaltır.
d.Sürekli zemin düzlemleri: Bölünmelerden kaçının.Kırık zemin düzlemleri, geri dönüş akımlarını gürültüye neden olan uzun, yüksek indüktansa sahip yollar almaya zorlar.

Kritik Metrik: 1 kHz'den 100 MHz'e kadar PDN impedansının <1 ohm olmasını hedefleyin. Bu eşiğin üzerinde voltaj gürültüsü (V = I × Z) önemli hale gelir ve FPGA'lar veya RF çipleri gibi hassas bileşenleri bozar.

2Sinyal bütünlüğü: PDN sinyalleri nasıl etkiler
Kötü PDN tasarımı doğrudan sinyal bütünlüğüne (SI) zarar verir.

a. Çanlama/ Aşma: Sinyaller hedef voltajların üzerinde/altında sıçrayıp veri hatalarına yol açar.
b.Güç raylarından gelen gürültü, sinyal izlerine sızıyor ve yüksek hızlı verileri çarpıtıyor (örneğin, PCIe 5.0).
c.Ground Bounce: Akım hızla değiştiğinde (değiştirme düzenleyicilerinde yaygın) yer düzlemlerinde voltaj tırmanışları.

Bu sorunları çözmek için:

a.Sinyaller için düşük impedanslı dönüş yolları sağlamak için güç uçaklarını kullanmak.
b. Çekilme kapasitörlerini hızlı IC'lerden (örneğin mikroprosesörlerden) 2 mm uzaklıkta yerleştirerek, pürüzsüz voltaj piklerini azaltmak.
Yüksek hızlı sinyalleri yer düzlemleri arasında yönlendirmek (onları EMI'den korumak).

Aşağıdaki tablo PDN hatalarını ve SI etkilerini özetliyor:

3Katman Yükleme: PDN Performansı için Optimize
Katman yığımı PDN başarısı için "blueprint" dir. Güç, toprak ve sinyallerin nasıl etkileşime girdiğini belirler. Yüksek hızlı PCB'ler için (10 Gbps+), aşağıdaki kurallar ile çok katmanlı yığımı kullanın:

a.Çifte güç ve zemin düzlemleri: Onları bitişik yerleştirin ( ince bir dielektrik katmanla ayrılmış, 0.1mm ∼ 0.2mm).Bu, yüksek frekanslı gürültüyü filtreleyen ve AC impedansını düşüren doğal kapasitans (C = εA / d) yaratır.
b. Yüksek hızlı sinyalleri koruyun: İki yer düzlemi arasında rota sinyali katmanları (örneğin, Yer → Sinyal → Yer). Bu, EMI'yi yakalar ve çapraz gürültüyü 20-30 dB azaltır.
c.Dikiş viasları kullanın: EMI içeren bir "Faraday kafesi" etkisi yaratır.
d. Yüklemeyi dengele: Üretim sırasında bükülmeyi önlemek için simetrik katman sayısını (örneğin, 4 katman: Sinyal → Güç → Yer → Sinyal) sağlayın.

Yüksek Hızlı PCB'ler için Örnek 4 Katmanlı Yükleme:

1Üst katman: Yüksek hızlı sinyaller (örneğin, Ethernet, USB4)
2Katman 2: Güç düzlemi (3.3V)
3Katman 3: Yer düzlemi (sert, kesintisiz)
4Alt katman: Düşük hızlı sinyaller (örneğin, sensörler, güç girişleri)

Temel PDN tasarım stratejileri
1Çözümlenme: Kaynaktan Gürültüyi Engelle
Çözüm kapasitörleri, IC'ler için "yerel güç bankaları" olarak hareket eder. Akım talebinin yükseldiği zaman şarjı depolarlar ve serbest bırakırlar, bu da voltaj düşüşlerini önler.

Doğru Kondensatör Değerlerini Seçin
Tüm frekans aralıklarını kapsayacak bir değer karışımı kullanın:

Toplu kondansatörler (10 μF100 μF): Voltaj düzenleyicilerinden gelen düşük frekanslı gürültü (1 kHz1 MHz) ile başa çıkmak için güç konektörlerinin (örneğin DC jack) yakınında yerleştirilir.
Orta frekanslı kondansatörler (1 μF·0.1 μF): Orta frekanslı gürültüyü filtrelemek için IC'lerden 2 mm·5 mm uzaklıkta konumlandırılır (1 MHz·10 MHz).
Yüksek frekanslı kondansatörler (0,01 μF ∼0,001 μF): Yüksek frekanslı gürültüyü (10 MHz ∼100 MHz) engellemek için doğrudan IC güç pinlerinin yanına yerleştirilir (≤2 mm).

Profesyonel İpucu: 10 μF + 0.1 μF + 0.01 μF paralel olarak kondansatörleri birleştirerek 1 kHz?? 100 MHz kaplayan bir "geniş bantlı filtre" oluşturun.

b. Kondensatör yerleştirme ve yönlendirmeyi optimize edin
Döngü alanını en aza indir: Kondensörden IC güç pikine IC zemin pikine → kondensörden yol mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Kısa, geniş izler (≥0.5 mm) kullanın ve kondensör yastıklarının 1 mm içinde viaslar yerleştirin.
Paralel viaslar: Güç / toprak düzlemlerine bağlanmak için kondansatör başına 2 ′′ 3 vias kullanın.
Multi-pin IC'ler için yayılma kondansatörleri: Çoklu taraflarda güç pinleri olan yongalar için (örneğin, BGA'lar), eşit güç dağıtımını sağlamak için her tarafta kondansatörler yerleştirin.

c. Genel olarak yapılan ilişkileri koparma hatalarından kaçının
Çok az kondansatör: Tek bir 0.1 μF kondansatörü hem yüksek hem de düşük frekanslı gürültüyle başa çıkamıyor.
Kondansatörler IC'lerden çok uzakta: 5 mm'nin ötesinde, iz indüktansı kondansatörün gürültü engelleme etkisini geçersiz kılar.
Yanlış paket boyutları: Yüksek frekanslı kondansatörler için 0402 veya 0603 paketlerini kullanın. Daha büyük paketlerin (örneğin 0805) daha yüksek indüktansı vardır.

2Uçak tasarımı: Düşük impedanslı yollar oluşturmak
Güç ve zemin düzlemleri PDN impedansını azaltmanın en etkili yoludur. Minimal direnişle büyük, sürekli bir bakır alanı sağlarlar.

a. Güç düzlemi en iyi uygulamalar
Katı düzlemler kullanın (kesmeler yok): EMI yayıp akım yollarını kıran "slot antenleri" oluşturan yuvalar veya kesimler. Gürültülü rayları izole etmeniz gerektiğinde yalnızca güç düzlemlerini bölün.3V analog ray).
Akım için boyut düzlemleri: 50mm2 bir güç düzlemi 5A taşıyabilir (2 oz bakır, 60 ° C yükselişi) daha yüksek akımlar için ölçeklendirilir (örneğin 10A'nın 100mm2 ihtiyacı vardır).
Uçakları yere yakın yerleştirin: Yakın güç / yer uçakları (0.1 mm dielektrik) ekstra bileşenler olmadan gürültüyü filtre eden 100 ‰ 500 pF kapasitans yaratır.

Yer düzleminde en iyi uygulamalar
Tek katı zemin düzlemi: Çoğu tasarım için, tek bir zemin düzlemi bölünmüş düzlemlerden daha iyidir.iki düzlemi bir noktada bağlayın (yıldız topraklama) yer döngüsünden kaçınmak için.
Tüm tahtayı kaplayın: Koruma maksimum olması için zemin düzlemini tahta kenarlarına kadar uzatın (konektörler hariç).
Viyaslarla dikiş: Katmanlar arasında zemin düzlemlerini bağlamak için 5 mm 10 mm uzaklıkta olan viasları (0,3 mm ∼0,5 mm) kullanın.

Aşağıdaki tablo uçak tasarımının avantajlarını vurgular:

3İzleme ve Optimizasyon: Engellerden Kaçınmak
Harika uçaklarda bile, kötü izleme / yol tasarımı PDN performansını mahvedebilir.
a. İzleme Tasarımı
İzleri kısa tutun: Uzun izler (≥50 mm) direnci ve enduktansı arttırır.
Geniş izleri kullanın: Yüksek akım yolları için (örneğin, voltaj düzenleyicileri IC'lere), voltaj düşüşleri olmadan 2A+ taşımak için ≥1 mm genişliğinde (2 oz bakır) izleri kullanın.
İşe yaramazlıktan kaçının: Kullanılmayan izler (≥3 mm) anten olarak hareket eder, EMI yayar ve sinyal yansımalarına neden olur.

b. Tasarım yoluyla
Geri sondajla tüyleri kaldırın: Via tüyleri (tarama katmanının ötesindeki via parçası) yüksek frekanslarda rezonans yaratır (örneğin, 10 Gbps).
Yüksek akım için birden fazla vias kullanın: Tek bir 0.5mm vias 2A3A yolları için ~ 1A3 vias kullanabilir (örneğin, kondansatörleri düzlemlere ayırmak).
İş için boyut viasları: Sinyal viasları için 0,3 mm ≈ 0,4 mm delikler kullanın; güç viasları için direnişi en aza indirmek için 0,5 mm ≈ 0,8 mm delikler kullanın.

c. Termal yollar
Yüksek hızlı PCB'ler ısı üretir (örneğin, bir CPU'dan 10W), bu da iz direncini arttırır ve PDN performansını azaltır.

Sıcak bileşenlerin altında: BGA'ların, voltaj düzenleyicilerinin veya güç güçlendiricilerin altına 4 ′′6 ısı viası (0,3 mm delik) yerleştirin.
Yer düzlemlerine bağlanmak: Isı yolları, ısıyı bileşenden bir ısı sink olarak hareket eden yer düzlemine aktarır.

Gelişmiş PDN Tasarım Düşünceleri
1Simülasyon Araçları: İnşa Etmeden Önce Test
Simülasyon, prototiplere zaman ve para harcamadan önce PDN kusurlarını erken tespit etmenin en iyi yoludur.

PDN için simülasyon iş akışı
1. Ön düzenleme: Impedans tahmin etmek için katman yığımı ve kondansatör yerleştirmesini modelle.
2.Layout sonrası: PCB düzeninden parazit değerleri (R / L / C) çıkarın ve voltaj düşüşü simülasyonları çalıştırın.
3.Termik simülasyon: PDN performansını zayıflatabilecek sıcak noktaları (≥85°C) kontrol edin.
4.EMI simülasyonu: PDN'nin radyasyonlu emisyonlar için tarayarak EMC standartlarına (örneğin, FCC Bölüm 15) uyduğundan emin olun.

Vaka Çalışması: Bir veri merkezi PCB ekibi, PDN'lerini simüle etmek için Ansys SIwave'ı kullandı. 50 MHz'de 0.01 μF kapasitör ekleyerek düzelttikleri 2 ohm impedans zirvesini buldular. Bu, 10 bin dolarlık bir yeniden tasarımdan kaçındı..

2. EMI/EMC Kontrolü: Gürültüyü kontrol altında tutmak
Yüksek hızlı PDN'ler, önemli EMI kaynakları ve anahtarlama düzenleyicileridir ve hızlı IC'ler EMC testlerinde başarısız olabilecek gürültü üretir.

a.Yüklemeyi optimize edin: Dört katmanlı bir yükleme (Signal → Power → Ground → Signal) iki katmanlı bir kartla karşılaştırıldığında radyasyon emisyonlarını 1020 dB azaltır.
b.Loop alanlarını en aza indir: Güç döngüsü (güç düzlemi → IC → zemin düzlemi) <1 cm2 olmalıdır.
c. Filtre güç girişleri: Yürütülen EMI'yi engellemek için elektrik hatlarına ferrit boncukları veya LC filtreleri ekleyin (örneğin, 12V giriş).
d.Gürültülü bileşenleri koruyun: EMI'yi engellemek için anahtar düzenleyicilerinin veya RF çiplerinin etrafında metal kalkanlar kullanın.

Aşağıdaki tablo, EMI azaltma etkinliğini göstermektedir:

3Termal Yönetim: PDN Uzun ömürlülüğünü Koruyun
PDN'nin en kötü düşmanı ısıdır ısıdaki her 10 ° C artış bileşen arızası oranını ikiye katlar ve bakır direncini %4 artırır.

a.Kalın bakır katmanları: 2 oz bakır (1 oz karşısında) %50 daha düşük direnci vardır ve daha hızlı ısı dağıtır.
b. Termal viaslar: Daha önce belirtildiği gibi, ısıyı yer düzlemlerine aktarmak için sıcak bileşenlerin altına viaslar yerleştirin.
c. ısı alıcıları: Yüksek güçlü bileşenler için (örneğin, 5W voltaj düzenleyicileri), daha düşük bağlantı sıcaklığına termal pasta ile ısı alıcıları ekleyin.
d.Bakır dökümleri: Sıcak parçaların yakınlarına (yerle bağlı) bakır dökümleri ekleyerek ısı yayılır.

PDN'de Yapılması Gereken Genel Hatalar
1Yetersiz Kopyalaşma
Hata: Tek bir kondansör değeri kullanmak (örneğin sadece 0.1 μF) veya kondansörleri IC'lerden >5 mm yerleştirmek.
Sonuç: Voltaj dalgalanması, EMI ve kararsız güç rayları, IC çarpmalarına veya EMC testlerinde başarısızlığa yol açar.
Düzeltme: 2 mm ̇5 mm IC pinleri içinde karışık değerli kondansatörler (0.01 μF, 0.1 μF, 10 μF) kullanın; paralel vias ekleyin.

2. Kötü dönüş yolları
Hata: Yer düzlemi bölünmeleri üzerinden veya tahta kenarlarının yakınlarında sinyalleri yönlendirme.
Sonuç: Kırık dönüş yolları çapraz konuşmayı arttırır ve EMI sinyalleri çarpıtılır ve veri hataları oluşur.
Düzeltme: Katı bir zemin düzlemini kullanın; zemin düzlemleri arasında rota sinyalleri; katman değişikliklerine yakın zemin yollarını ekleyin.

3. Doğrulama göz ardı ediliyor
Hata: Simülasyon veya fiziksel testleri atlamak (örneğin, bir osiloskopla voltaj ölçümleri).
Sonuç: Fark edilmemiş gerilim düşüşleri veya sıcak noktalar: tahtalar sahada veya sertifikasyon sırasında arızalanır.
Düzeltme: Çizim öncesi/çizim sonrası simülasyonlar çalıştırın; bir osiloskop (voltaj gürültüsünü ölçün) ve termal kamera (sıcak noktaları kontrol edin) ile prototip test edin.

Sık Sorulan Sorular
1Yüksek hızlı PCB'lerde PDN'nin ana amacı nedir?
PDN'nin temel hedefi, akım talebinin artması durumunda bile (örneğin, IC devre değiştirme sırasında) her bileşene temiz, istikrarlı güç (minimal voltaj gürültüsü, hiç düşme) sağlamaktır.Bu sinyal bütünlüğünü sağlar ve sistem arızalarını önler..

210 Gbps'lik bir PCB için kapasitörleri nasıl seçerim?
Bir karışım kullanın:

a.0.01 μF (yüksek frekanslı, IC pinlerinden ≤2mm) 10 ̊100 MHz gürültüsünü bloke etmek için.
b.0.1 μF (orta frekans, IC'lerden 2 ′5 mm) 1 ′10 MHz gürültüsü için.
c.10 μF (toplu, güç girişlerine yakın) 1 kHz-1 MHz gürültüsü için.
İndüktansı en aza indirmek için yüksek frekanslı kondansatörler için 0402 paketlerini seçin.

3Neden sağlam bir yer düzlemi yer izlerinden daha iyidir?
Katı bir zemin düzleminin, zemin izlerinden 10 kat daha düşük direnci ve endüktansi var.ve yüksek hızlı PCB'ler için kritik bir ısı alıcı olarak çalışır.

4Bir prototip yaptıktan sonra PDN'mi nasıl test edebilirim?
Voltaj gürültüsü ölçümü: Güç raylarındaki voltaj dalgalanmasını kontrol etmek için bir osiloskop kullanın (top-to-peak <50mV'yi hedefleyin).
Isı testi: Sıcak noktaları tespit etmek için bir ısı kamerası kullanın (sıcaklığı < 85 °C tutun).
EMI testi: FCC/CE standartlarına uygunluğunu sağlamak için bir EMI tarayıcısı kullanın.

5PDN impedansı çok yüksekse (> 1 ohm) ne olur?
Yüksek impedans, voltaj gürültüsüne neden olur (V = I × Z) örneğin, 2 ohm impedansı ile 1A akım talebi 2V gürültüsü yaratır. Bu hassas bileşenleri (örneğin RF yongaları) bozar,Sinyal hatalarına veya sistem çökmelerine yol açan.

Sonuçlar
Güvenilir bir PDN, yüksek hızlı PCB tasarımının temel bir parçasıdır.ve izleme/optimize yoluyla temiz enerji sağlayan bir PDN oluşturabilirsiniz., EMI'yi en aza indirir ve uzun vadeli güvenilirliği sağlar. Erken simülasyon (Ansis SIwave gibi araçlarla) ve fiziksel testler pazarlık edilemez.

Unutmayın: En iyi PDN'ler performans ve pratikliği dengeler. Fazla mühendislik yapmanıza gerek yoktur (örneğin, basit bir sensör panosu için 10 katman), ancak köşeleri kesemezsiniz (örneğin,atlama koplama kondansatörleri)Yüksek hızlı tasarımlar için (10 Gbps+), bitişik güç/yer düzlemlerine, karışık değerli koplama ve termal yönetime öncelik verin. Bu seçimler PCB'lerinizin performansını sağlayacak veya bozacaktır.

Elektronik daha hızlı ve daha küçük hale geldiğinde, PDN tasarımı sadece önemini artıracak.ve otomotiv teknolojisinde, daha az kasıtlı tasarımları etkileyen yaygın tuzaklardan kaçınırken.