Analisi di integrità di potenza per la rete di alimentazione

 

La prima volta che avevo costruito una semplice scheda a DC per alimentare un piccolo gruppo di sensori ero rimasto stupito dal livello di rumore presente nelle misurazioni della tensione. Di sicuro il misuratore da 5000 euro che avevo utilizzato non poteva essere in errore e le fluttuazioni dell'alimentazione in uscita erano inferiori al livello di rumore misurato, per cui mi chiedevo come fosse possibile che i segnali avessero così tanto rumore...

Non sapevo allora che scelte sbagliate in fase di progetto della scheda a DC danno l’opportunità al rumore di amplificarsi su tutta la scheda. Se avessi utilizzati il giusto software di progetto e di simulazione, e se avessi compiuto scelte più intelligenti nella fase di disegno, mi sarei risparmiato settimane di mal di testa e tempo sprecato.

Piani di massa e di alimentazione nell’analisi di integrità dell'alimentazione

I piani di massa e alimentazione sono critici per completare un circuito sul PCB. La resistenza di questi piani dovrebbe essere resa la più piccola possibile, cosa che è talvolta difficile considerata la loro campata e la loro sottigliezza. Un incremento della resistenza può causare due effetti.

In primo luogo si verifica il cosiddetto “IR drop” (ovvero un calo di tensione che avviene sulla componente resistiva di un’impedenza) sul piano di alimentazione e sulle tracce che inviano potenza ai componenti. Questo provoca un leggero calo nella tensione sui componenti più a valle. In secondo luogo, se la resistenza del piano di massa è troppo elevata, si possono creare loop di massa che attraversano i vari componenti della scheda.

I loop di massa si verificano quando esiste una differenza di potenziale in due punti di terra in un piano di alimentazione. Ciò fa sì che la corrente fluisca in senso inverso attraverso il circuito, cosa che può interferire con i segnali che sono riferiti sul piano di massa. Anche le fluttuazioni naturali nel potenziale del piano di massa dovute ai disturbi di tipo Johnson, 1/f, prodotti dalle interferenze elettromagnetiche, ondulazioni ed altre variazioni spontanee nel voltaggio di uscita e nel riferimento a terra, causano fluttuazioni nelle correnti dei loop di massa. Queste fluttuazioni si possono accoppiare in modo induttivo con il resto della scheda.

Identificare i problemi di integrità di alimentazione

Dato che un piano di massa non ha una resistenza che è pari a zero esiste, inevitabilmente, una qualche differenza di potenziale tra un piano di massa e un piano di alimentazione. Sia per i progettisti che per i produttori l’obiettivo è identificare queste differenze di potenziale e minimizzarle attraverso adeguate tecniche progettuali.

È possibile identificare perdite IR e anelli di terra utilizzando uno strumento che simula la rete di distribuzione dell’energia sulla scheda. La rete di distribuzione dell’energia include il piano di massa e consente di identificare, allo stesso tempo, gli IR drop e le differenze di potenziale nel piano di massa. Uno strumento di buona qualità è in grado di mostrare il potenziale e le correnti sui piani, sull’alimentazione e sulle piste di alimentazione ed anche i cali di potenziale sulle tracce.

La potenza fornita dalla rete di alimentazione viene sovrapposta al layout utilizzando una mappa colorata. In questo modo diventa facile, a livello visivo, identificare le zone che presentano elevate differenze di potenziale e che possono causare anelli di terra. Occorre prestare particolare attenzione alle tracce che sono utilizzate per i segnali di ritorno al piano di alimentazione dato che le cadute di potenziali sono, in questo caso, più elevate.

Come regola generale le differenze di potenziale nel piano di massa dovrebbero essere inferiori ai mV. Basta una differenza di potenziale nel piano di terra di 1 mV per causare anelli di terra che interferiscono con le misurazioni a DC, anche se non sono grandi abbastanza da causare commutazioni involontarie nei circuiti digitali. I disturbi introdotti da fluttuazioni termiche o dell'alimentazione nel potenziale dell’anello di terra possono essere ridotti utilizzando grandi condensatori nelle linee di alimentazione di uscita o sulle connessioni dei piani di massa e di alimentazione all’alimentazione stessa.

 

 

La prima volta che avevo costruito una semplice scheda a DC per alimentare un piccolo gruppo di sensori ero rimasto stupito dal livello di rumore presente nelle misurazioni della tensione. Di sicuro il misuratore da 5000 euro che avevo utilizzato non poteva essere in errore e le fluttuazioni dell'alimentazione in uscita erano inferiori al livello di rumore misurato, per cui mi chiedevo come fosse possibile che i segnali avessero così tanto rumore...

Non sapevo allora che scelte sbagliate in fase di progetto della scheda a DC danno l’opportunità al rumore di amplificarsi su tutta la scheda. Se avessi utilizzati il giusto software di progetto e di simulazione, e se avessi compiuto scelte più intelligenti nella fase di disegno, mi sarei risparmiato settimane di mal di testa e tempo sprecato.

Piani di massa e di alimentazione nell’analisi di integrità dell'alimentazione

I piani di massa e alimentazione sono critici per completare un circuito sul PCB. La resistenza di questi piani dovrebbe essere resa la più piccola possibile, cosa che è talvolta difficile considerata la loro campata e la loro sottigliezza. Un incremento della resistenza può causare due effetti.

In primo luogo si verifica il cosiddetto “IR drop” (ovvero un calo di tensione che avviene sulla componente resistiva di un’impedenza) sul piano di alimentazione e sulle tracce che inviano potenza ai componenti. Questo provoca un leggero calo nella tensione sui componenti più a valle. In secondo luogo, se la resistenza del piano di massa è troppo elevata, si possono creare loop di massa che attraversano i vari componenti della scheda.

I loop di massa si verificano quando esiste una differenza di potenziale in due punti di terra in un piano di alimentazione. Ciò fa sì che la corrente fluisca in senso inverso attraverso il circuito, cosa che può interferire con i segnali che sono riferiti sul piano di massa. Anche le fluttuazioni naturali nel potenziale del piano di massa dovute ai disturbi di tipo Johnson, 1/f, prodotti dalle interferenze elettromagnetiche, ondulazioni ed altre variazioni spontanee nel voltaggio di uscita e nel riferimento a terra, causano fluttuazioni nelle correnti dei loop di massa. Queste fluttuazioni si possono accoppiare in modo induttivo con il resto della scheda.

Identificare i problemi di integrità di alimentazione

Dato che un piano di massa non ha una resistenza che è pari a zero esiste, inevitabilmente, una qualche differenza di potenziale tra un piano di massa e un piano di alimentazione. Sia per i progettisti che per i produttori l’obiettivo è identificare queste differenze di potenziale e minimizzarle attraverso adeguate tecniche progettuali.

È possibile identificare perdite IR e anelli di terra utilizzando uno strumento che simula la rete di distribuzione dell’energia sulla scheda. La rete di distribuzione dell’energia include il piano di massa e consente di identificare, allo stesso tempo, gli IR drop e le differenze di potenziale nel piano di massa. Uno strumento di buona qualità è in grado di mostrare il potenziale e le correnti sui piani, sull’alimentazione e sulle piste di alimentazione ed anche i cali di potenziale sulle tracce.

La potenza fornita dalla rete di alimentazione viene sovrapposta al layout utilizzando una mappa colorata. In questo modo diventa facile, a livello visivo, identificare le zone che presentano elevate differenze di potenziale e che possono causare anelli di terra. Occorre prestare particolare attenzione alle tracce che sono utilizzate per i segnali di ritorno al piano di alimentazione dato che le cadute di potenziali sono, in questo caso, più elevate.

Come regola generale le differenze di potenziale nel piano di massa dovrebbero essere inferiori ai mV. Basta una differenza di potenziale nel piano di terra di 1 mV per causare anelli di terra che interferiscono con le misurazioni a DC, anche se non sono grandi abbastanza da causare commutazioni involontarie nei circuiti digitali. I disturbi introdotti da fluttuazioni termiche o dell'alimentazione nel potenziale dell’anello di terra possono essere ridotti utilizzando grandi condensatori nelle linee di alimentazione di uscita o sulle connessioni dei piani di massa e di alimentazione all’alimentazione stessa.

 

 

Per identificare i problemi di integrità di alimentazione e la loro influenza sull’integrità del segnale, nonché determinare quale siano le opzioni migliori per correggerli, è necessario utilizzare uno strumento software per il progetto di PCB che includa anche gli strumenti più avanzati di simulazione ed analisi. Altium Designer include fornisce tutte queste funzionalità, e molte altre, in una sola interfaccia. Anche gli strumenti di analisi di integrità dei segnali sono inclusi in Altium Designer ed è persino compreso un potente analizzatore PDN come strumento aggiuntivo.

È possibile ora scaricare una versione di prova di Altium Designer per scoprire come funzionano gli strumenti di analisi dell’integrità dei segnali e dell'alimentazione. Grazie a questo software avrete anche l'accesso alle migliori funzionalità presenti sul mercato in materia di layout, routing e gestione dei dati. Contattate un esperto di Altium oggi stesso per ulteriori informazioni.

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