חמש עובדות שכל מהנדס צריך לדעת על PDN

אנחנו מקשרים בדרך כלל את רשת חלוקת ההספק – (Power Distribution Network) עם מעגלי ההספק המשמשים להזנת CPUs ו-FPGAs. השימוש הגובר ב-FPGAs במוצרים שלנו משמעו לבטח שבנקודה מסוימת נאלץ כולנו להיות רהוטים ב-PDN. במציאות, PDN מתייחס לכל המעגלים ולא רק FPGAs ו-CPUs. אפילו לוגיקת דבק יום-יומית, דוגמת שערי CMOS מהירים יכולה לעשות שמות ב-PDN. התוצאות הסופיות של תכנון PDN גרוע נעות ממעגלים לא-פעילים במקרים בהם ה-PDN נכשל לשמור על ויסות מתח מתאים עבור מעגל מהיר, עד למעגלים רועשים, בהם רעש ה-PDN זורם דרך המערכת באמצעות נתיבי חלוקה שונים, כמו ערב-דיבור ב-PCB או וסת PSRR. בעוד הבנה וייטוב של ה-PDN שלך עשויים לדרוש מאמץ גדול, הכולל הדמיות 3D יקרות, מושגי היסוד ניתנים לניסוח על-פי חמש נקודות-מפתח.
שמור אותו שטוח
רוב ספרי ה-PDN אומרים לך שעכבת ה-PDN בעלת הביצועים הטובים ביותר נראית שטוחה כפונקציה של התדר. זאת משום שאותות רעש מיוצרים כתוצאה של אי-רציפויות או שיאי עכבה ב-PDN. ה-PDN מורכב מהתנגדות, השראה וקיבול הכרוכים בעקבות ומשטחי ה-PCB, קבלי נטילת-הצימוד והטפילות שלהם וטפילות המארז הכולל חיווט הקישור וקיבול השבב של ההתקנים המהירים. מזעור ה-Q של מעגלי תהודה אלה הוא המפתח לקבלת עכבה שטוחה. אחד מכלי הניהול היסודיים של ה-PDN הוא עכבת המטרה. זוהי העכבה מתחתיה יש לשמור על כל השיאים לשם ביצועים נאותים. למושג עכבת המטרה יש אולי מגרעות רבות, אך היא עדיין טכניקת תכנון ה-PDN המקובלת ביותר בשימוש כיום. אולם, המטרה הבסיסית יותר צריכה להיות לשמור על עכבה שטוחה ככל הניתן עד רוחב-פס התלוי במהירות הקצה של אותות העומס, האמפליטודה של שינוי הזרם הדינמי והעכבה של ה-PDN. שים לב שזו תלויה במהירות הקצה ולא בתדר חזרת הפולסים.

תאום העכבה הוא המפתח
יצרני ציוד הבדיקה הבינו את הקשר הזה מזה עשורים רבים. השימוש במקור תואם ועומס תואם, המחוברים דרך כבל תואם, איננו מקרי. העכבה המקובלת כיום בשימוש היא 50 אם כי קיימות עכבות פחות נפוצות, כגון 75 עבור יישומי טלוויזיה. הסיבה לכך היא שעכבת ה-PDN הנמוכה ביותר מופיעה כאשר עכבות המקור והעומס הן בדיוק שוות. תאום עכבות הקישור, עכבת העומס ועכבת המקור הם למעשה רק דרך אחרת לומר “שמור אותו שטוח”, מאחר שכל אי-תאום יגרום או לקיבול או השראה מוגדלים, כאשר שניהם אינם רצויים.

לקצבים נמוכים הסבירות הגבוהה יותר של סוגיות
אם כי עשוי להיראות שככל שתדר האות יהיה גבוה יותר, סוגיית ה-PDN עשויה להיראות יותר בולטת, זה איננו תמיד המקרה. תדר האות המוגדל ברור שנושא איתו עלייה בדאגות של שלימות האות, זה איננו הכרחי עבור ה-PDM. הסיבה שהתדרים הנמוכים יותר מהווים סוגיה גדולה יותר היא פשוטה. אם נתבונן על פולס במחזור פעולה נמוך נראה כל הרמונית של תדר הפולס באיזשהו תדר ובאמפליטודה קבועה כלשהי. לדוגמה, אות שעון בעל 100 קילו-הרץ מכניס אותות בעלי תוכן ספקטראלי שהם 100 קילו-הרץ מרוחקים זה מזה. העלאת תדר הפולסים ל-10 מגה-הרץ תגרום לאותות ספקטראליים שהם מרוחקים 10 מגה-הרץ זה מזה. הסבירות של מציאת תהודת PDN קרובה מאוד בתדר לאות ספקטראלי מהפולס היא הרבה יותר גדולה בקצב פולסים נמוך יותר. אנחנו יכולים לראות זאת תוך שימוש בפולס של 100 קילו-הרץ ו-10 מגה-הרץ, כמתואר באיור 1 ואיור 2.

סוגיות מרובות מתחברות
בניגוד למה שספרי PDN רבים אומרים לנו, מתח הרעש הנובע משינוי דינמי בזרם איננו מוגבל למכפלה של הצעד השוטף ועכבת המטרה. הוא יכול להיות הרבה יותר גדול. ראשית, ה-FFT היסודי של אות הזרם מוגדל בגורם של 4/Pl אם אות זרם הגל הריבועי מוזן בתדר התהודה של ה-PDN.
אם ל-PDN יש תהודות מרובות (שיאים בעכבת ה-AC), יתכן שאותות אחדים יעוררו בו-זמנית ויהיו מוזזות במופע, דבר המאפשר להם לתגבר זה את זה בכוונון הגרוע ביותר האפשרי.

דע את הקצוות שלך
דרך אפשרית אחת לטפל ברעש ה-PDN היא לבחור את התקני הקצה האיטיים ביותר המתאימים ליישום שלך. התדר הספקטראלי המרבי קשור לזמן העלייה והירידה של אות הזרם. קצוות מהירים פירושם שההרמוניות מתרחבות לתדרים גבוהים יותר, תוך עליית הסיכוי שאות הרעש ימצא תהודה קרובה. בתלות בהתקנים היוצרים אות זה, המהירות יכולה להיות מהירה עד 20pS במעגלי זיכרון DDR3 או במקרה של מווסת מיתוג POL, אפשר שיהיה כה איטי כמו 1nS. שער CMOS מהיר יכול להגיע לזמן עלייה של 10% עד 90% של 350pS ותדר ה-3dB של התוכן הספקטראלי ניתן להערכה אז כ:

לזמן עלייה בקצה של 350pS יש רוחב-פס של 3dB של כ-1 גיגה-הרץ; וירידה בערך כ-20dB בדקדה. כחוק כללי, יש למדוד את התוכן הספקטראלי בדקדה מעל fmax. דבר זה מעניק גבול עבור תהודות של תדר גבוה כאשר יש עדיין תוכן באות. כך שעבור שער מהיר בעל זמן עלייה של 350pS יהיה נבון למדוד את התוכן הספקטראלי עד 10 גיגה-הרץ. דוגמה של שער CMOS מוצגת באיור 5. עם זמן עלייה של 417pS התוכן הספקטראלי הוא הרבה מעל 2 גיגה-הרץ בפיני ההזנה של השער, כך שתרצה להשתמש בסקופ של 4 גיגה-הרץ לפחות ועדיף 20GS/s.
בעוד יש בוודאי הרבה יותר אודות ה-PDN מאשר כלול כאן, מאמר זה אמור לספק מבט כלשהו מדוע כל מהנדס חייב להכיר את סוגיות ה-PDN וכיצד הן משפיעות על ביצועי המעגל.

כתבה זו נמסרה באדיבות חברת PICOTEST