Hispanopedia WikiLa integridad de la alimentación o PI implica una serie de esfuerzos de ingeniería electrónica destinados a garantizar que los subsistemas de suministro de energía respalden adecuadamente el rendimiento de todo un sistema electrónico. [ 1 ]
La ingeniería de PI se centra en el diseño y la evaluación de subsistemas de alimentación para prevenir cualquier degradación del rendimiento del sistema debido a posibles efectos adversos de las fuentes de alimentación. Por ejemplo, una fuente de alimentación ruidosa puede causar perturbaciones audibles o visuales o ralentizar la comunicación de datos . La ingeniería de PI emplea diversos métodos para minimizar o eliminar dicho ruido. La eficacia de la ingeniería de PI se mide por el rendimiento general del sistema, aunque se centra específicamente en los circuitos de alimentación. En otras palabras, la ingeniería de PI identifica los bloques de circuitos que son sensibles a las perturbaciones de la fuente de alimentación y que requieren una atención especial.
La optimización de impedancia ( PI) es fundamental para lograr una ingeniería de integridad de señal (SI) exitosa, que se ocupa de la adaptación de impedancias entre múltiples elementos. Al igual que la SI, la PI también garantiza conexiones adecuadas entre una fuente de alimentación y un dispositivo de carga, lo cual suele ser una preocupación en la SI. Esta ruta de conexión se conoce como red de distribución de energía (PDN) , y el ajuste de la ruta de la PDN desde la fuente de alimentación hasta los dispositivos de carga se denomina diseño de impedancia de la PDN.
Historia
Antes del año 2000
En la industria informática , las crecientes demandas de energía de los microprocesadores requirieron diseños de condensadores de desacoplamiento dedicados para los buses de alimentación en las placas de circuitos impresos . [ 2 ] [ 3 ] A medida que un microprocesador transita entre estados de reposo y de computación pesada, extrae una corriente que cambia rápidamente de su unidad de alimentación, a menudo denominada módulo regulador de voltaje (VRM).
En términos generales, este esfuerzo implicó equilibrar dos escenarios:
- Desde un estado de computación intensa hasta un estado de inactividad.
- Cuando un microprocesador deja de consumir corriente repentinamente del regulador de voltaje (VRM), el tiempo de respuesta más lento del VRM en comparación con el microprocesador provoca un aumento en la tensión del bus de alimentación ( sobreimpulso ). Esto puede causar daños por sobretensión al microprocesador.
- Desde el estado de inactividad hasta el estado de computación pesada.
- Cuando un microprocesador comienza a consumir energía eléctrica de un bus de alimentación, la corriente instantánea proviene de condensadores de desacoplamiento hasta que el regulador de voltaje (VRM) empieza a suministrarla. Esto provoca una caída en la tensión del bus de alimentación (subtensión), lo que puede ocasionar la pérdida de datos digitales, ya que los circuitos lógicos internos del microprocesador podrían fallar al mantener los estados digitales alto o bajo.
Los esfuerzos de ingeniería que supuso el diseño de estos condensadores de desacoplamiento sentaron las bases para el diseño de la impedancia de la red de distribución de energía.
Importancia de la integridad del poder [ 4 ]
- Funcionamiento estable
- Reducción del ruido y las interferencias
- Gestión térmica
- Longevidad de los componentes
- Cumplimiento y fiabilidad de las normas EMI
Elementos clave en la integridad del poder
- Red de suministro de energía (PDN)
- Ondulación de voltaje y ruido
- Control de impedancia
- Condensadores de desacoplamiento
- Planos de tierra
Red de distribución de energía
La ruta de corriente desde la fuente de alimentación, a través de la placa de circuito impreso ( PCB) y el encapsulado del circuito integrado ( CI ), hasta el chip (consumidor) se denomina red de distribución de energía. Su función es transferir la energía a los consumidores con una mínima caída de tensión continua y minimizar la ondulación inducida por la corriente dinámica en el consumidor (corriente de conmutación). La caída de tensión continua se produce si existe una resistencia excesiva en el plano o en las pistas de alimentación que van desde el módulo regulador de tensión (VRM) hasta el consumidor. Esto se puede solucionar aumentando la tensión en el VRM o extendiendo el punto de detección del VRM hasta el consumidor.
La corriente dinámica se produce cuando el consumidor conmuta sus transistores, generalmente activado por una señal de reloj . Esta corriente dinámica puede ser considerablemente mayor que la corriente estática (fuga interna) del consumidor. Este rápido cambio en el consumo de corriente puede reducir la tensión de la línea de alimentación o provocar un pico, generando una ondulación de tensión. Este cambio de corriente ocurre mucho más rápido de lo que el regulador de tensión puede reaccionar. Por lo tanto, la corriente de conmutación debe ser gestionada por condensadores de desacoplamiento .
El ruido o la ondulación de voltaje deben gestionarse de forma diferente según la frecuencia de operación. Las frecuencias más altas deben gestionarse en el chip. Este ruido se desacopla mediante acoplamiento parásito en el chip y acoplamiento capacitivo entre capas metálicas. Las frecuencias superiores a 50-100 MHz deben gestionarse en el encapsulado. Esto se realiza mediante condensadores en el encapsulado. Las frecuencias inferiores a 100 MHz se gestionan en la placa de circuito impreso mediante capacitancia plana y condensadores de desacoplamiento . Los condensadores funcionan a diferentes frecuencias según su tipo, capacitancia y tamaño físico. Por lo tanto, es necesario utilizar varios condensadores de diferentes tamaños para garantizar una baja impedancia de la red de distribución de energía en todo el rango de frecuencias.
El tamaño físico de los condensadores afecta a su inductancia parásita. Esta inductancia parásita genera picos de impedancia a ciertas frecuencias. Por lo tanto, los condensadores físicamente más pequeños son mejores. La ubicación de los condensadores es de importancia variable según su frecuencia de operación. Los condensadores de menor valor deben colocarse lo más cerca posible del consumidor para minimizar el área del bucle de corriente alterna. Los condensadores de mayor tamaño, en el rango de los microfaradios, pueden colocarse prácticamente en cualquier lugar. [ 5 ] [ 6 ]
impedancia objetivo
La impedancia objetivo es aquella en la que la ondulación generada por la corriente dinámica del consumidor específico se encuentra dentro del rango especificado. La impedancia objetivo viene dada por la siguiente ecuación [ 7 ].
![{\displaystyle Z_{\textrm {Objetivo}}={\frac {\Delta V}{\Delta I}}[\Omega ]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d8742ccb069db77158a5ab63b964262556f7aa85)
Además de la impedancia objetivo, es importante saber a qué frecuencias se aplica y a qué frecuencia es responsable el encapsulado del consumidor (esto se especifica en la hoja de datos del circuito integrado de consumo específico).
Herramientas de integridad de energía
- "K-SIM" . KEMET . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- "CST PDN ANALYZER" . Altium . Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- "W3036E EMI conducida (CEMI) con PIPro" . Keysight . Consultado el 2 de enero de 2025 .
- "HyperLynx Power Integrity" . Siemens. 2018. Consultado el 18 de marzo de 2018 .
Véase también
Notas
- ↑ Sandler 2019 .
- ↑ Hubing et al. 1995 , págs. 155–166.
- ↑ Smith et al. 1999 , págs. 284–291.
- ↑ Siemens 2018 .
- ↑ Revista de Integridad de Señal 2016a .
- ↑ Revista de Integridad de Señal 2016b .
- ↑ Smith y Bogatin 2017 .
Referencias
Revistas
- TH Hubing; JL Drewniak; Van Doren, TP; DM Hockanson (1995). "Desacoplamiento del bus de alimentación en placas de circuitos impresos multicapa". IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility . 37 (2). IEEE: 155– 166. doi : 10.1109/15.385878 .
- LD Smith; RE Anderson; DW Forehand; TJ Pelc; T. Roy (1999). "Metodología de diseño de sistemas de distribución de energía y selección de condensadores para tecnología CMOS moderna". IEEE Transactions on Advanced Packaging . 22 (3). IEEE: 284– 291. doi : 10.1109/6040.784476 . ISSN 1557-9980 .
- I. Novak; LM Noujeim; V. St Cyr; N. Biunno; A. Patel; G. Korony; A. Ritter (2002). "Distributed matched bypassing for board-level power distribution networks". IEEE Transactions on Advanced Packaging . 25 (2). IEEE: 230– 243. Bibcode : 2002ITAdP..25..230N . doi : 10.1109/TADVP.2002.803265 . ISSN 1557-9980 .
Libros
- Bogatin, Eric (13 de julio de 2009). Integridad de la señal y la potencia: una explicación simplificada . Pearson Education. ISBN 978-0-13-703503-8.
- Lee W. Ritchey (2003). Right the First Time—A Practical Handbook on High-speed PCB and System Design . SPEEDING EDGE. ISBN 978-0-9741936-0-1.
- Smith, Larry D.; Bogatin, Eric (30 de marzo de 2017). Principios de integridad de potencia para el diseño de PDN simplificados: diseño robusto y rentable para productos digitales de alta velocidad . Pearson. ISBN 978-0132735551.
Páginas web
- Sandler, Steve (18 de enero de 2019). "Electrónica de potencia frente a integridad de la potencia" . Signal Integrity Journal . Recuperado el 3 de enero de 2025 .
- Sandler, Steve ; Barnes, Heidi (28 de noviembre de 2016). "Curso de integridad de energía - Parte 1 (EDI CON USA 2016)" . Signal Integrity Journal . Recuperado el 2 de enero de 2025 .
- Sandler, Steve ; Barnes, Heidi (28 de noviembre de 2016). "Curso de integridad de energía - Parte 2 (EDI CON USA 2016)" . Signal Integrity Journal . Recuperado el 2 de enero de 2025 .
- "Simulación de la integridad de potencia de FPGA mediante modelos de parámetros S" (PDF) . Xilinx. 30 de enero de 2012. Consultado el 18 de marzo de 2018 .
- Análisis de sistemas