Определение и расчет данных для моделирования целостности питания и сигналов в модулях. Расчет просадок напряжения, импедансов путей от источника к нагрузкам в рабочем диапазоне частот, перекрестных наводок и волнового сопротивления сигнальных линий.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

СОДЕРЖАНИЕ

Задание на практику

Реферат

Введение

Постановка задачи

Глава 1. Теоретическая часть

Глава 2. Практическая часть

Определение и расчет всех необходимых данных для моделирования

Расчет просадок напряжения (IRDrop analysis)

Расчет импедансов путей от источника к нагрузкам в рабочем диапазоне частот (PDN analysis)

Расчет перекрестных наводок

Расчет волнового сопротивления сигнальных линий

Заключение

Список литературы

ЗАДАНИЕ НА ПРАКТИКУ

Тема ПП: Моделирование целостности питания и сигналов в модулях.

Исходные данные:

1. ____Проект модуля CP-RIO64________________________________

2. ____Проект модуля LM_SV32_________________________________

3. ____Проект модуля Baget83__________________________________

4. ____Проект модуля FCS_SV32________________________________

5. ____Проект модуля FCS_TC1CPU5____________________________

6. ____Проект модуля MK_128__________________________________

7. ____Проект модуля OP_RIO_G________________________________

Список литературы

1. Eric Bogatin. Signal and Power Integrity - Simplified (2nd Edition) - Prentice Hall, 2009. - 740 с..

2. Stephen H. Hall, Howard L. Heck. Advanced signal integrity for high-speed digital designs - John Wiley & Sons, Inc, 2009. - 668 c.

Ориентировочная тема дипломного проекта:

Коррекция ошибок, связанных с искажениями электрических сигналов при их передаче в модулях электронной аппаратуры.

Задание на ПП составлено ____________/ ________________________

[Дата] [Подпись руководителя]

Задание на ПП получено ___________________/ ___________________

[Дата] [Подпись студента]



РЕФЕРАТ

В данной работе представлены результаты по обнаружению и исправлению ошибок в модулях электронной аппаратуры, связанных с питанием и передачей сигналов.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 18 страниц. Работа содержит 15 рисунков. Список литературы содержит 2 наименования.

Глава 1 посвящена ознакомлению с основными характеристиками, которые учитываются при проверке питания и качества передачи сигналов в печатных платах. Во второй главе представлены результаты моделирования, а так же приведены рекомендации по устранению обнаруженных в ходе моделирования ошибок.



ВВЕДЕНИЕ

При изготовлении печатных плат многие проблемы, связанные с их работоспособностью, выявляются только на этапе физической реализации. Это приводит к возникновению дополнительных затрат ресурсов и времени при создании печатной платы. Гораздо более выгодно на этапе проектирования предупреждать появление таких проблем, как: чрезмерные просадки напряжения на пути от источника к нагрузке, превышение импедансом определенного уровня на пути от источника к нагрузке, сильные перекрестные наводки в сигнальных линиях, отклонение волнового сопротивления от заданного уровня в сигнальных линиях.

Для решения подобных задач могут быть использованы следующие САПРы: Cadence PCB Editor, Sigrity PowerDC, Sigrity PowerSI, Ansoft SIwave, Ansoft Designer. При этом становится возможным, обнаружив в ходе моделирования ошибку, внести изменения в проект и перемоделировать его.

В настоящее время при производстве печатных плат все больше внимания стали уделять целостности питания и сигналов, так как с ростом рабочих частот все сильнее проявляются эффекты, которые раньше не учитывались.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Целью работы являлось выявление в ходе моделирования ошибок в проектировании печатных плат и их исправление с последующим моделированием исправленного проекта. Для достижения указанной цели решались следующие основные задачи:

· Определение и расчет всех необходимых исходных данных для моделирования.

· Расчет просадок напряжения на пути от источника к нагрузке и их сравнение с максимально допустимыми. Принятие мер по устранению ошибок.

· Расчет импедансов путей от источника к нагрузкам в рабочем диапазоне частот и сравнение их с максимально допустимыми. Принятие мер по устранению ошибок.

· Расчет перекрестных наводок в сигнальных линиях и их сравнение с максимально допустимыми. Принятие мер по устранению ошибок.

· Расчет волновых сопротивлений сигнальных линий и их сравнение с требуемым значением. Принятие мер по устранению ошибок.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКЯ ЧАСТЬ

Перекрестные наводки.

Перекрестные наводки - это нежелательные шумы на одном проводнике при передаче сигнала по другому вследствие их индуктивной связи[1].

Рис. 1. Взаимоиндукция двух проводников

Величина шума определяется по формуле:

(1)

где:

- напряжение шума, наведенного на первом «тихом» проводнике

- взаимная индуктивность между двумя проводниками

- ток во втором проводнике

Волновое сопротивление длинной линии.

Волновое сопротивление длинной линии - отношение напряжения к току в электромагнитной волне, бегущей вдоль линии передачи.

Пример линии передачи - микрополосковая линия.



Рис. 2. Микрополосковая линия

Волновое сопротивление линии, изображенной на рис. 2, рассчитывается по формуле:

(2)

где:

- диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Если волновое сопротивление линии непостоянно вдоль всей длины, то в такой линии появляются отраженные волны, которые приводят к искажению передаваемого сигнала. Обычно изменения волнового сопротивления связаны с изменением конфигурации линии, наличием переходных отверстий, конденсаторов и резисторов в составе линии, разветвлениями линии.

Просадки в цепях питания.

Цепь питания включает в себя такие элементы, как: источник питания, развязывающие конденсаторы, переходные отверстия, дорожки и слои металлизации, выводы микросхем. Главная задача цепи питания - обеспечить необходимый уровень напряжения на нагрузке во всем рабочем диапазоне частот. Поэтому путь от источника к нагрузке должен удовлетворять определенным требованиям. Обычно такие требования задаются максимальной долей д (%) от напряжения питания, которую не могут превышать просадки в цепи питания. Исходя из этого, импеданс пути от источника до нагрузки не может превышать следующего значения:

(3)

где:

- напряжение питания

где - максимальный ток, потребляемый нагрузкой

Если импеданс пути от источника к нагрузке превышает значение в рабочем диапазоне частот, то необходимо принимать следующие меры по его понижению:

· установка, замена развязывающих конденсаторов

· расширение, дублирование в соседних слоях полигонов питания

· увеличение количества переходных отверстий

· максимальное сближение слоев земли и питания



ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Определение и расчет всех необходимых данных для моделирования

В качестве исходных данных берутся значения токов потребления для каждой микросхемы в модуле. Исходя из этих данных рассчитываются значения для каждой нагрузки и составляется таблица вида:

VCC_5V

D146 SN2T45 Current: 0.01 Impedance: 50

D3 5559IN6X Current: 1.1 Impedance: 4.545455e-001

Для DC/DC преобразователей рассчитывается значения тока в первичной цепи, исходя из номиналов напряжения первичной и вторичной цепей, его КПД и тока во вторичной цепи.

Эти данные заносятся в САПР, а также указываются модели конденсаторов, индукторов и резисторов.

2.2 Расчет просадок напряжения (IRDrop analysis)

В результате IRDrop анализа, который осуществляется по средством САПРов Sigrity PowerDC и Cadence PCB Editor, получается таблица со значениями просадок напряжения для всех нагрузок, а также карта распределения плотностей токов и напряжений по плате.

Для модуля Baget83 было выявлено, что падение напряжения на пути от источника D77 (LTM4616V) к нагрузке D37 (LP2998) превышает барьер в 5%. Оно составило 0,12 В при напряжении питания 1,8 В. В связи с этим было предложено расширить проводник, подводящий питание к элементу D37 до 1 мм.



Рис. 3. Baget83, cлой INT3

После моделирования исправленного проекта значение просадки напряжения для нагрузки D37 (LP2998) лежало в пределах 5%.

Также в модуле Baget83 было выявлено превышение плотностью тока предельного значения в 200 :



Рис. 4. Baget83, слой TOP

Было предложено расширить проводники в указа...