Материал: Электромагнитная совместимость радиотехнических систем. лабораторный практикум. Федоров С.М., Ищенко Е.А

Как видно по результату, сопротивление ниже 10 Ом наблюдается практически во всем диапазоне частот, за исключением низких частот, а также всплеска сопротивления в диапазоне от 1,0363 ГГц до 1,231 ГГц, когда сопротивление на шине питания первой микросхемы достигло 70 Ом. Для того, чтобы убрать данный всплеск можно установить разделяющий конденсатор, но в данном случае он не требуется, так как диапазон работы данных микросхем лежит в области, которая отмечена на рис. 106.

Рис. 106. Картина распределения сопротивлений для случая, рассмотренного на рис. 105

По картине сопротивлений видно, что самые высокие номиналы сопротивлений возникают на краях проводящего слоя, причем если переключиться в просмотр комплексных сопротивлений (Real) можно будет увидеть, что в данной зоне сопротивление носит отрицательный характер, что соответствует сопротивлению конденсатора (емкостный характер).

Для более тонкихпроводников (рис. 01) график сопротивлений будет соответственно – рис. 107.

Рис. 107. Картина сопротивлений для средней толщины проводников

80

По полученным результатам видно, что произошло значительное увеличение сопротивления линии питания. Для сверхтонких проводников – рис. 102, соответствующий график приведен ниже (рис. 108).

Рис. 108. Графики сопротивления для сверхтонких проводников

Как видно сопротивление увеличилось в десятки раз из-за применения очень тонких проводников.

Теперь рассмотрим влияние разделяющего конденсатора на график сопротивления для средней ширины проводника (рис. 107). Для удобства тестирования данного влияния в PCB Studio существует специальный инструмент, для быстрой установки конденсатора (Edit->Capacitor), устанавливается двойным кликом 1-точка питания (VCC) – 2-точка заземления (GND) (рис. 109).

Рис. 109. Настройки разделяющего конденсатора

В качестве разделяющих были выбраны идеальные конденсаторы с емкостью 10 нФ (как правило выбирают один из номиналов: 1 мкФ, 100 нФ, 10 нФ,

81

900 пФ, 10 пФ), которые были установлены на входе питания каждой микросхемы, как на рис. 97. По результатам моделирования сопротивление шины питания значительно уменьшилось (рис. 110), небольшой рост наблюдался только вблизи источника питания, но весь данный рост был полностью скомпенсирован вблизи компонентов.

Рис. 110. График сопротивлений после установки конденсаторов

10 нФ

Аналогичное исследование необходимо произвести для всех вариантов, так диапазон частот моделирования для вариантов определен в табл. 12.

Таблица 12

Варианты для выполнения моделирования

По полученным результатам сделать выводы, в отчет занести расчетную часть; графики импедансов; влияние разделительного конденсатора на сопро-

82

тивление при средней ширине проводника; градиентные картины сопротивлений на слоях печатной платы.

3.4.Лабораторная работа № 4. Исследование падений напряжения

итоков в процессе протекания по линии питания IR-Drop

Цель работы: исследование падения токов на линии питания, влияние рассеиваемой мощности на нагрев линии питания.

1. Краткие теоретические сведения

Исследование падения токов на линии питания является одним из компонентов комплексного исследования электромагнитной совместимости печатных плат, термодинамического излучения. IR-Drop исследование входит наряду с PI анализом в комплекс исследований по изучению цепей доставки питания (PDN). В данных режимах анализа рассматриваются шины питания, на которые подается постоянное напряжение от источника питания, после чего задается целевое напряжение линии питания и допустимое отклонение. Общепринятым±10% значением изменения уровня напряжения на шине питания считается .

Особое внимание уделяется тепловому нагреву печатной платы, так как при протекании тока выделяется тепло, которое может быть определено в соот-

где Q – тепло, Дж;

I – протекающий ток, А;

R – сопротивление линии, Ом; t – время протекания, с.

Все выделившееся тепло должно быть рассеяно, иначе перегрев может привести к очень неприятным последствиям, как на рис. 111.

Рис. 111. Прогар линии питания

83

Также стоит помнить, что при нагреве полупроводников – микросхем, диодов, транзисторов, токи, которые через них протекают резко возрастают, в то время, как для проводников наблюдается обратный эффект. Для проводников очень важным показателем является температурный коэффициент сопро-

реходит в материал дорожки, то в соответствии с законом сохранения энергии оно полностью перейдет в нагрев, и соответственно, выделенная энергия будет потрачена на изменение температуры:

точно быстро, а это может привести к расплавлению и обрыву цепи. Поэтому при проектировании линий питания всегда стремятся использовать полигональное заполнение, так как таким образом обеспечивается минимальное сопротивление.

Особое внимание стоит уделить и тому фактору, что, нагрев активных и пассивных компонентов частично уходит в печатную плату, поэтому их воздействие следует учитывать, как дополнительный запас при проектировании устройства.

Основной целью моделирования падения токов (IR-Drop) является именно нахождение мест резкого изменения уровня питающего напряжения; обнаружение мест с большим уровнем излучения∙ мощности (а в соответствии с физическим определением 1 Дж= Вт с), чтобы определить места шины питания, которые может быть потребуется изменить. Сейчас со стремлением понизить уровень потребления мощности радиокомпонентами стремятся понизить уровень напряжения на питании, поэтому падение более чем на 10% может привести к остановке работы всего устройства.

Данный вид моделирования реализован практически во всех программных продуктах электромагнитного моделирования, а также доступен в виде дополнительных компонентов для специализированного ПО по разработке печат-

ных плат (PDN Analyzer by CST в Altium Designer).

84