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Power distribution network power integrity

Power distribution network design: ottimizzare l’alimentazione a livello di sistema

on 1 Febbraio 2018

Il design della power distribution network (PDN) è oggi uno degli elementi più critici, nell’ambito di un progetto elettronico, a causa di una serie di fattori che incidono in modo rilevante sulle scelte progettuali. Tali fattori sono riconducibili al mercato, prima ancora che alla tecnologia.

Power distribution network design: i fattori di mercato

In questo momento storico, la maggior parte delle decisioni sul business dei prodotti elettronici si basa su tre fattori:

  1. La differenziazione del prodotto. Bisogna rendere il prodotto più piccolo, più veloce, più leggero e persino con più funzionalità, rispetto alla concorrenza, senza compromessi sulla sua qualità, l’affidabilità e le prestazioni. Questo significa trovare compromessi tra miniaturizzazione e aumento delle funzionalità.
  2. Il costo. Ogni settore industriale è ormai soggetto a una costante pressione per ridurre i costi di prodotto e di sviluppo.
  3. Il tempo. Anche qui esiste una costante pressione per accelerare il time-to-market, il che si traduce in un impatto crescente sul team di progettazione, che deve ottenere un progetto funzionante riducendo al minimo la prototipazione.

La pressione sul team di progettazione è dunque molto forte e in questo articolo ne esamineremo le conseguenze dal punto di vista del design per l’integrità del segnale e della potenza.

Un’altra variabile importante, a livello di mercato, è costituita dal settore industriale. Un’azienda come Samsung, ad esempio, si deve focalizzare sulla produzione dei suoi telefoni in 5 mesi, anziché in 6, con meno strati elettrici e una maggiore qualità del prodotto. Altri tipi di aziende, come ad esempio Boeing, sono vincolate a programmazioni di produzione fisse, che devono assolutamente rispettare, concentrandosi pure maggiormente sulla qualità e su strutture operative snelle – cosa spesso non facile. Altre, come Huawei, si concentrano sulla densità del progetto elettronico, aumentando il numero di funzionalità presenti nei dispositivi, tramite metodologie avanzate di packaging.

I diversi fattori di business in genere non possono essere affrontati con un solo strumento. Serve piuttosto una combinazione di processi e di modifiche rispetto agli strumenti impiegati, che deve andare di pari passo con l’evolversi delle esigenze.

L’ottimizzazione del power distribution network design a livello di sistema

L’ottimizzazione dell’alimentazione nel progetto del PCB è un problema che si pone a livello di sistema. Si presenta inizialmente con la progettazione di circuiti integrati a bassa potenza, grazie soprattutto a due fattori:

  • Le alimentazioni multiple. Per fornire la giusta quantità di energia a ciascun dispositivo e a ciascuna sezione all’interno di un dispositivo (ad esempio I / O, memoria, CPU), i progetti vengono dotati di più linee di tensione (ad esempio 5 V, 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V). Questi valori possono scendere a 0,8 V e anche meno. La tolleranza di commutazione è in genere il 5% del valore di tensione. Dunque con valori inferiori le tolleranze risulteranno più basse, con maggiori possibilità di rendere il circuito non efficace o addirittura non operativo per problemi di rumore.
  • L’aumento degli assorbimenti di corrente. Una maggiore funzionalità condensata in chip più piccoli richiede più corrente. È il caso ad esempio dei SOIC (Small Outline Integrated Circuit), i package che occupano dal 30 al 50% di superficie in meno rispetto a equivalenti DIP (Dual In-line Package).

Power distribution network designL’impatto sulla progettazione del PCB a livello di sistema si pone principalmente come necessità di più reti di distribuzione dell’energia, cioè di power distribution network (PDN). Ogni linea di tensione ha una sua PDN. Questo significa avere più piani diffusi (o piani misti, che contengono più alimentazioni). Se l’alimentazione non viene erogata ai circuiti integrati in modo pulito e con energia sufficiente, è possibile che si verifichino malfunzionamenti; ad esempio mancate commutazioni. Se i piani hanno densità di corrente elevate, possono verificarsi rotture del dielettrico o dei via, con conseguenti guasti della scheda, nel corso del tempo, e conseguente impatto significativo sull’affidabilità di prodotto.

Power distribution network designInoltre, per fornire la corretta alimentazione quando gli IC la richiedono, sono necessari più condensatori di disaccoppiamento. Ciò obbliga ad avere una maggiore area totale della scheda, con conseguente aumento del costo del prodotto, soprattutto per la componentistica passiva.

Il progetto ideale non esiste nel mondo reale

Nel power distribution network design, il progettista opera con parametri che fanno riferimento a situazioni teoriche che non hanno una piena corrispondenza con la realtà.

Nel mondo ideale del progetto, i piani sono compatti, distribuiti su tutta la scheda e separati da un dielettrico sottile, che fornisce una capacità superiore tra di essi. I condensatori di disaccoppiamento sono molto vicini, per ridurre al minimo gli effetti fisici della scheda. Inoltre i valori sono distribuiti su un intervallo che è calcolato per mantenere l’impedenza del piano bassa su tutte le frequenze. Infine i progettisti si riferiscono alla selezione della tipologia dei condensatori per ottenere un’impedenza target, per assicurarsi l’esatta definizione del profilo di impedenza.

Il modello Swiss Cheese (formaggio svizzero) descrive una modalità di avvenimento degli incidenti. Sebbene siano stati posti diversi livelli di difesa, i difetti presenti in ciascun livello, se allineati, possono provocare l’incidente.

Nel mondo reale le cose stanno diversamente. Possono esserci ad esempio fino a 15/20 linee di tensione, ognuna delle quali richiede la propria PDN. Poiché il costo di molti piani di alimentazione dedicati è troppo alto, le differenti PDN verranno definite e spesso frammentate su meno strati. Ciò si traduce in aree di rame non ottimizzate, ad esempio con strozzature che alzano i valori di densità di corrente, limitandone il corretto scorrimento, e perforazioni eccessive, causate dalle operazioni di fan-out, con relativo effetto “Swiss Cheese. Lo spazio per il posizionamento dei condensatori, inoltre, è sempre più limitato, con inoltre conseguente difficoltà nel loro corretto posizionamento. Il risultato è che la progettazione della PDN può risultare confusa, contraddittoria, complessa, perfino conflittuale. Venendo poi il profilo di impedenza affrontato sulla base di un modello ideale (l’impedenza si riduce all’aumentare della frequenza), risulta poco efficace il filtraggio al variare delle frequenze.

Nella seconda parte di questa analisi vedremo come nel power distribution network design incidono le variabili costo e tempo e come devono operare i team di progettazione, entrando più nello specifico delle problematiche di Power Integrity.

(fine prima parte)

T’interessa l’argomento? Scarica la presentazione di Ivano Tognetti:

La presentazione completa di Ivano Tognetti su “L’ottimizzazione della progettazione della Power Distribution Network a livello di sistema”, uno strumento prezioso a disposizione dei progettisti elettronici che sono tutti giorni alle prese con progetti sempre più complessi.

Ivano TognettiPower distribution network design: ottimizzare l’alimentazione a livello di sistema

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