Nel mondo dell'elettronica ad alte prestazioni, l'erogazione stabile di energia è il cuore pulsante del sistema. I circuiti stampati (PCB) richiedono livelli di tensione costanti per funzionare in modo affidabile e i piani di alimentazione sono il meccanismo principale per garantire una distribuzione uniforme dell'energia. Oltre alla semplice erogazione, i piani di alimentazione offrono vantaggi significativi, tra cui la riduzione del rumore, la schermatura EMI e la dissipazione del calore.

L'impiego di un piano di alimentazione ben progettato può migliorare le prestazioni complessive del PCB e garantire l'integrità a lungo termine della scheda. Questa guida esplora le basi tecniche dei piani di alimentazione, i loro usi critici e le migliori pratiche per implementarli nei moderni progetti multistrato.

Un piano di alimentazione è uno strato conduttivo dedicato, tipicamente un foglio solido di rame, all'interno di un PCB multistrato che è collegato all'alimentatore. A differenza delle tracce standard che indirizzano l'alimentazione a pin specifici, un piano di alimentazione fornisce un "serbatoio" continuo di tensione su una vasta area della scheda.

• Peso del rame: Di solito progettato con rame da 1 oz (35 µm) o 2 oz, a seconda dei requisiti di corrente.
• Posizionamento degli strati: In un stackup standard a 4 strati, i piani di alimentazione e di massa occupano tipicamente gli strati interni (strato 2 e strato 3) per fornire una struttura bilanciata e ridurre la deformazione.
• Connettività: I componenti si collegano al piano di alimentazione tramite vias, spesso utilizzando scarichi termici per garantire la saldabilità durante il processo SMT (Surface Mount Technology).

Sebbene il ruolo principale di un piano di alimentazione sia quello di distribuire la tensione, il suo impatto sulla Power Distribution Network (PDN) e sull'integrità del segnale (SI) di una scheda è molteplice.

1. Riduzione del rumore e disaccoppiamento

   Quando un piano di alimentazione è posizionato adiacente a un piano di massa, agiscono come un grande condensatore a piastre parallele. Questo fornisce una capacità di disaccoppiamento ad alta frequenza, che aiuta a sopprimere le ondulazioni di tensione e il rumore ad alta frequenza che le singole tracce non possono gestire.

2. Percorso a bassa impedenza

   I circuiti digitali ad alta velocità richiedono raffiche rapide di corrente. Poiché un piano di alimentazione ha un'area di sezione trasversale massiccia rispetto a una traccia, offre un'impedenza estremamente bassa. Questo riduce al minimo la caduta di tensione (caduta di tensione) e assicura che anche i componenti più affamati di energia ricevano una tensione stabile.

3. Gestione termica

   Il rame è un eccellente conduttore termico. I piani di alimentazione fungono da dissipatori di calore interni, diffondendo l'energia termica generata da componenti ad alta potenza (come CPU o MOSFET) su tutta la superficie della scheda. Questo previene i punti caldi localizzati e migliora l'affidabilità dei giunti di saldatura conformi a IPC-A-610.

4. Schermatura EMI e percorsi di ritorno

   Un solido piano di alimentazione può fungere da piano di riferimento per le tracce del segnale. Se abbinato a un piano di massa, aiuta a contenere i campi elettromagnetici, riducendo significativamente le interferenze elettromagnetiche (EMI) e migliorando la conformità della scheda agli standard normativi.

Per massimizzare i vantaggi dei piani di alimentazione, i progettisti devono attenersi a specifiche linee guida DFM (Design for Manufacturing) ed elettriche.

Per i progetti ad alta velocità, posizionare sempre il piano di alimentazione adiacente a un piano di massa. Questo crea un accoppiamento stretto che riduce l'induttanza ad anello della PDN. Una best practice comune è la "Regola 20H", in cui il piano di alimentazione è leggermente più piccolo del piano di massa per ridurre le emissioni irradiate dai bordi.

Nei progetti moderni, una singola scheda può richiedere più tensioni (ad esempio, 1,8 V, 3,3 V e 5 V).

• Segmentazione: è possibile "dividere" un singolo strato di rame in più isole di tensione.
• Attenzione: non instradare mai una traccia di segnale ad alta velocità attraverso una divisione nel piano di riferimento sottostante. Questo crea una discontinuità nel percorso di ritorno, portando a gravi riflessioni del segnale e problemi di EMI.

• IPC-2152: utilizzare questo standard moderno per determinare la capacità di trasporto di corrente e l'aumento di temperatura. È più accurato del vecchio IPC-2221 perché tiene conto degli strati interni rispetto a quelli esterni e della presenza di piani adiacenti.
• Via Stitching: utilizzare più vias per i percorsi ad alta corrente per ridurre l'induttanza e la resistenza parassite.

Posizionare i condensatori di disaccoppiamento il più vicino possibile ai pin di alimentazione degli IC. Il via che collega il condensatore al piano di alimentazione deve essere posizionato per ridurre al minimo l'area dell'anello, assicurando che il condensatore possa "filtrare" efficacemente il rumore ad alta frequenza prima che entri nel componente.

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