电源完整性:可靠性的支柱

2022年9月14日

关键的外卖

电源完整性可以理解最好通过阻抗匹配的主题和马克斯权力交接。
去耦电容作为当地的电力存储单元和过滤器。
电源平面设计作品与布局优化性能。

开关电源电路

电源完整性确保进入的工作设计、位置和路由是最大化。

任何设计和少许的复杂性必须适当考虑给电路带来生活的动力系统。不管它是一个或多个能源网,忽视了电力系统类似于俯瞰一个循环系统的重要性。没有适当的电源完整性保障到位,这是令人难以置信的设计容易遇到重大运行时问题,在出现故障的情况下由于当前饥饿和模糊逻辑输入创建难辨认的输出。

之前的肉电源完整性和如何最好地结合其最佳实践设计,重要的是要了解在工作中一些潜在的物理,从阻抗匹配和最大权力交接的主题。

权力的物理完整性

电源完整性是一个看门的系统组成的(为了增加频率响应)供应,去耦电容,集成电路的固有电容包和骰子。设计师和工程师必须认真考虑不同的频率响应范围的电力系统制定一个适当的过滤效果。阻抗是一个非常重要的话题,完整性,一路回动力传递函数。在直流和其他非常低的频率,功率的负载方程:

这个方程来源于替代形式的动力方程和欧姆定律。马克斯权力交接时的阻力等于供给负载,或者换句话说,当负载和电源电阻形成1:1分压器。然而,nonidealized寄生和大多数频率呈现电阻模型在范围太窄。为了正确地考虑这些因素,设计师必须专注于电路的阻抗剖面。

阻抗是一个复杂的价值组成的真正的阻力(代表信号的大小)和虚构的电抗,它充当一个周期信号的相移。考虑到他们的相似之处,马克斯权力交接的条件也对齐,这样:

Z代表了阻抗。“*”代表复共轭——如果c是一个复数形式的c = a + bi,然后c * = - bi。具体地说,在电路方面,复杂的价值由电感或电容电抗表示,分别是积极的和消极的。可以解决一个复杂的值到纯级通过的平方和的平方根的真实和虚构的组件。马克斯权力交接时这个虚构的组件数目为零——实际上,阻抗网络必须提供一个大小相等,方向相反的电抗值否定总结时阻抗的虚构的成分。因此,理想化的纯电阻电路马克斯权力交接的具体情况下,虚源和负载的零组件。

注意,上面没有(或实际上,本文的其余部分)效率提到,当讨论似乎奇怪的权力。事实上,阻抗匹配是一个非常低效的功率输出的方法,但它在电力系统有非常重要的作用。阻抗匹配可以显著降低电压纹波和噪声等一些不良的影响。马克斯权力交接确保交付给负载是充分利用为了避免以下的一些问题:

地面反弹——一种不稳定状态,导致一个错误的国家数字逻辑之间的高和低。双极结晶体管的基础(是),有一个可怜的连接地面(或者,无法正确地注册地面由于噪音)可以感知周围的局部电压增加在该地区立即collector-emitter结作为参考。由于相对较大的正向偏压,这可能意味着基本感知其实际高度正电压负在引用“地面”。这原因是机器关闭,关闭collector-emitter,让这个过程不断重复,直到停止电压固定在底座上。地面反弹可能特别麻烦由于其难以诊断。
电磁干扰——更有效的权力转移负荷,反射信号强度越低。在权力的情况下,反射信号进行导体之间的空间(地面和飞机),可引起明显的EMI问题与合规测试失败。
额外关注——Untransferred能源负载最终转换成热能的如果它没有其他大道的转换。在极其密集的设计,这可能导致早期组件或材料磨损,失败,和可能的烟雾和火灾危险。能源在电磁频谱的特定频率可能经历干扰由于高敏感设备。

去耦电容填补多个角色

去耦电容提供丰富的功能正常运行功率系统。事实上,即使最隐晦的布局经验的设计者可能遇到他们数以百计,如果不是数以千计,在较大的设计。电容器担当多个角色的范围内电力设计,但考虑首先最基本的组件的操作。

电容器,在常见的电子、水类比功能作为一个储罐,除了它包含代替水。取决于你问一个物理学家和工程师,电容器被认为是“完整的”(说实话,电容器从未完全指控或排放)后四个或五个离散周期,称为时间常数。的电容器的时间常数直接相关的内在阻力引起的电容包这样:

时间常数τ(τ)。公平地假设在同一产品线和包,阻力会或多或少是常数。警告,电容器的充电和放电时间是首要的电容驱动的。电力系统而言,这意味着更小的法拉电容是快速反应的存储单位填写每当供电下降。排版设计通常应该将这些小去耦电容器尽可能接近各自的权力和地面销ICs,分组的示意图。这将创建尽可能最小的电流环,这是额外的重要性与快速交换调节器的输出。逐步更大的去耦电容可以放置远离包,如有少立即需要一个短,低阻抗路径之间和各自的别针。

这不是唯一的幂函数解耦电容服务——事实上,他们同名尚未覆盖的原因。解耦电容器作为带通滤波器,允许足够的通过高频瞬变。这个范围内拒绝直流和低频率以及更高的频率通常与高速范围有关。拒绝整个电容器直流阻碍其流,加强通过IC电源和地面销阻抗最小的路径。另外,分流交流频率操作的范围内帮助保护相关的电路不受任何杂散瞬变,可能引起意想不到的操作或组件的性能问题。

对权力的完整性,没有太多的去耦电容。

平面设计:从分层盘旋飞行到形状

的设计力量和地面飞机合作提供全面覆盖直流路径,减少循环的大小。可怜的或不完整的覆盖会导致重大的EMI问题以及不可预测的电路性能。有许多方面需要考虑当讨论飞机联系起来权力的完整性,从分层盘旋飞行。

分层盘旋飞行

分层盘旋飞行是物理信号和平面层的取向和指定z轴。虽然精确的层配置可以改变根据特定的需求,是常见的平面层配对。通常,在但是堆栈、位置和路由将发生在外层,而内部层用于地面和权力,分别。

地面和权力的飞机

飞机地面形成一个一致的参考电压信号和电力一样,同时也确保返回循环保持小限制排放。动力飞机另一方面不太可能占据整个层,相反,一些细分的免费平面形状将理想情况下协同布局,这样力量的形状完全包围网。在成堆的众多层数,这是必要的,以确保一致的地面覆盖分离信号和电力的飞机。

铜的特性

一样重要的位置在堆栈电力和地面的飞机是铜的物理形状特性。形式服从功能和性能需要充足的表面积,以避免高温的创建位置和表面电流密度超过铜是能够承受的。避免过度neckdowns,注意回避设计董事会与不规则形状或功能区段可以进一步抑制性能。

权力的形状

一般提醒,目前在飞机将遵循阻抗最小的路径,这意味着循环将想要最直接的路线从供应或电源电路的集成电路各自的权力销。平面设计,捕捉所有必要的针可能仍然容易性能问题如果路径为当前更向一方或严重局部边缘的形状。为此,避免过度凹面设计力量的形状时,可以捕获电流和热量。更好的解决方案,如果可用,是设计电源形状跨多个电源平面层。这样做需要重叠区域通过浓度高(通常是权力的来源),避免让一小部分通过负责提供当前流量所需电源平面形状。