Diseño de integridad de la fuente de alimentación

La integridad de la fuente de alimentación se refiere a la calidad de la forma de onda de la fuente de alimentación y se centra en la red de distribución de energía (PDN, por sus siglas en inglés). Se busca eliminar o reducir el impacto del ruido en la fuente de alimentación, considerando la red de suministro del sistema en su conjunto. El objetivo del diseño de la integridad de la fuente de alimentación es controlar el ruido de la fuente de alimentación dentro de un rango operativo, proporcionar voltajes limpios y estables a los chips, mantenerlos dentro de una pequeña tolerancia (generalmente dentro del 5%), responder en tiempo real a los cambios rápidos de corriente de carga y proporcionar una ruta de retorno de baja impedancia para otras señales.

Principales fuentes de ruido de la fuente de alimentación:

Ruido de salida del módulo de suministro de energía (VRM, incluyendo LDO/DC-DC)
Resistencia de corriente continua y inductancia parásita de las líneas de enrutamiento
Ruido de conmutación sincrónica (SSN, por sus siglas en inglés)
Ruido de resonancia entre la fuente de alimentación y el plano de tierra
Ruido de acoplamiento en la red de alimentación cercana
Ruido de acoplamiento en otros componentes

Cuando muchos pines de los chips cambian de estado lógico, se produce una corriente transitoria significativa en el circuito, lo que provoca fluctuaciones en el plano de tierra y una inconsistencia entre el plano de tierra del chip y el del sistema, conocida como "bouncing" de tierra. Esto genera una diferencia de voltaje entre el chip y la fuente de alimentación, conocida como "bouncing" de la fuente de alimentación. Al diseñar las capas de PCB, se debe aumentar la distancia vertical entre los planos de alimentación tanto como sea posible y reducir la distancia vertical entre el plano de alimentación y el plano de tierra.

Estrategias de diseño para la integridad de la fuente de alimentación

Prestar atención a la capacidad de corriente de los vias, enrutamientos y planos de alimentación. Cuando se colocan múltiples fuentes de alimentación en un plano, es necesario dividir el plano de alimentación de manera simple y razonable, y el tamaño de las áreas de división debe cumplir con los requisitos de capacidad de corriente.
Colocar los planos de alimentación y los planos de tierra lo más cerca posible y en pares adyacentes.
Prestar atención al diseño de los capacitores de desacoplamiento. El desacoplamiento de los capacitores tiene requisitos de distancia, es decir, el radio de desacoplamiento. Se recomienda utilizar múltiples vias para las almohadillas de los capacitores.
Prestar atención al impacto del ruido de conmutación sincrónica (SSN, por sus siglas en inglés) en el "bouncing" de tierra y de la fuente de alimentación. Se pueden agregar capacitores de desacoplamiento adicionales. En cuanto a los requisitos de rendimiento del sistema en su conjunto, se debe utilizar una señal de conducción suave (retrasar los flancos de subida y bajada del driver) tanto como sea posible.

Pruebas de integridad de la fuente de alimentación

Valor de voltaje (precisión)

Instrumento de prueba: multímetro
Método de prueba: realizar pruebas en condiciones de carga nula y carga completa
Puntos de prueba: pines de salida del chip de alimentación, pines de alimentación del chip de consumo
Estándar de aceptación: generalmente dentro del rango del ±5% del valor nominal de voltaje (según los requisitos de voltaje del chip)

Ruido / Ripple de la fuente de alimentación

Definiciones
- Ripple: componente sincronizado con la frecuencia de entrada y la frecuencia de conmutación que aparece entre los terminales de salida, se expresa en valor eficaz y generalmente es inferior al 0.5% del voltaje de salida.
- Ruido: componente de alta frecuencia que aparece entre los terminales de salida, excluyendo el ripple, se expresa en valor pico a pico (peak to peak) y generalmente es inferior al 1% del voltaje de salida.
- Ripple y ruido: combinación de ambos, se expresa en valor pico a pico (peak to peak) y generalmente se requiere que sea inferior al 2% del voltaje de salida.
Instrumento de prueba: osciloscopio
Método de prueba:
- Realizar pruebas en condiciones de carga nula y carga completa.
- Ripple: utilizar el método de medición de bucle de tierra (medición cercana), configurar el ancho de banda del osciloscopio en 20MHz y el voltaje de polarización continua (offset) según el valor de precisión de voltaje mencionado anteriormente.
- Ripple y ruido: configurar el ancho de banda del osciloscopio en su máxima capacidad (Full).
Puntos de prueba: ambos extremos del capacitor de salida
Estándar de aceptación:
- Generalmente, se requiere que el ripple sea inferior al 1% del voltaje de salida (se considera como ripple puro en la prueba de 20MHz de ancho de banda).
- Generalmente, se requiere que el ripple y ruido combinados sean inferiores al 2% del voltaje de salida (se considera como ripple + ruido en la prueba de ancho de banda completo).
Consideraciones:
- Al realizar las pruebas, prestar atención al principio de proximidad y mantener la longitud de lazo de tierra lo más corta posible.
- Utilizar una sonda pasiva para las pruebas.
- Registrar la frecuencia del ripple durante la prueba para su posterior análisis.

Forma de onda de subida y bajada de voltaje

Instrumento de prueba: osciloscopio
Método de prueba: configurar el osciloscopio para disparar en el flanco de subida o bajada, observar la forma de onda de subida y bajada del voltaje al encender y apagar la fuente de alimentación, asegurándose de que se muestre completa para detectar problemas.
Puntos de prueba: pines de salida del chip de alimentación, líneas de alimentación del sistema
Estándar de aceptación:
- Generalmente, se requiere que el sobrepico de voltaje en los extremos de salida de la fuente de alimentación no supere el 10% del voltaje medido. Al realizar pruebas en la etapa frontal del chip, se puede hacer referencia a los estándares de nivel general.
- Al encender la fuente de alimentación, no debe haber una caída significativa de voltaje, y al apagarla, no debe haber un gran rebote ni retroceso (la caída y el rebote no deben cruzar el voltaje de operación de inicio del chip). Si se produce un fenómeno de escalón, se debe evaluar su impacto.
- Si se produce un voltaje negativo, se debe discutir en función de la situación real.
- Prestar atención a los requisitos de secuencia de encendido y apagado del chip.
Consideraciones: se deben tener en cuenta los casos de encendido y apagado del sistema, inserción y extracción de la placa individual y extracción e inserción de la placa de alimentación.

Parámetros del circuito de arranque suave

Pruebas del instrumento: Osciloscopio
Método de prueba: Utilizar pruebas de múltiples canales para observar la diferencia de tiempo al encender.
Puntos de prueba: Un punto en el circuito antes del arranque suave y otro punto después del arranque suave.
Criterios de aceptación:
- Tiempo de retardo (\(T_{delay}\)): Se requiere que esté en el rango de 20 a 200 ms.
- Tiempo de subida (\(T_{rise}\)) (tiempo que tarda la tensión de salida en subir del 10% al 90%): Se requiere que sea lo más pequeño posible, pero al mismo tiempo, se debe cumplir con los criterios de aceptación para la corriente de impacto.
- No debe haber fenómenos de oscilación múltiple.
Consideraciones: Es necesario probar los casos de encendido y apagado del sistema, inserción y extracción de la placa única, y extracción e inserción de la placa de alimentación.

Corriente de alimentación y corriente de impacto

Pruebas del instrumento: Osciloscopio
Método de prueba:
- Corriente de alimentación: Utilizar una sonda de corriente para observar la forma de onda de la corriente de encendido y la forma de onda estable de la corriente después del encendido.
- Corriente de impacto: Lo mismo que el punto anterior. Se recomienda probar la corriente de impacto durante el arranque en frío (cuando la corriente de impacto es máxima); y la corriente de impacto al apagar se recomienda probarla cuando la placa única está completamente cargada.
Puntos de prueba: Insertar la sonda de corriente en el circuito de corriente bajo prueba.
Criterios de aceptación:
- El valor estable de la corriente de alimentación no debe exceder el 90% de la corriente de salida nominal máxima.
- El valor de la corriente de impacto no debe exceder 5 veces la corriente de salida nominal (prestar atención si es más de 3 veces).
- En cualquier caso, la corriente debe ser mayor que la carga mínima de la fuente de alimentación y debe cumplir con los requisitos de carga máxima capacitiva.
Consideraciones:
- Es necesario probar los casos de encendido y apagado del sistema, inserción y extracción de la placa única, y extracción e inserción de la placa de alimentación.
- Para probar la corriente de impacto, es necesario quitar componentes inductivos como inductores, ya que estos componentes tienen un efecto de supresión de la corriente de impacto.

Señal de alarma de la fuente de alimentación

Método de prueba: Generar condiciones de alarma en el sistema y probar el nivel de la señal de alarma.
Punto de prueba: Extremo receptor de la señal de alarma.
Criterios de aceptación: Consultar las especificaciones del chip de la fuente de alimentación.

Parámetros de corriente promedio de la fuente de alimentación redundante

Método de prueba: Utilizar el método de salida de corriente de prueba de la fuente de alimentación para probar los valores de salida de corriente de cada vía de la fuente de alimentación redundante y comparar los valores de salida de corriente de cada vía.
Punto de prueba: Ruta de salida de corriente de cada vía de la fuente de alimentación redundante.
Criterios de aceptación: La diferencia entre los valores de salida de corriente de cada vía de la fuente de alimentación del sistema y su fuente de alimentación redundante (corriente promedio) debe ser inferior al 10%.

Referencias y Agradecimientos

Introducción a la Integridad de la Fuente de Alimentación (PI)
"Especificaciones de Pruebas de Calidad de Señal de Hardware (SI)"

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