Progettazione termica e layout dei PCB per sistemi di potenza modulare ad alta densità

La progettazione termica dei PDN per l'AI e per il calcolo ad alte prestazioni rappresenta una sfida complessa, visti i requisiti di potenza, sempre crescenti, in termini di livelli di corrente e accuratezza della tensione richiesti dagli odierni processori avanzati. Sono quindi necessarie tecniche aggiornate di modellazione e stima per la progettazione termica e dei PDN, nonché criteri avanzati di selezione e posizionamento dei componenti. Questo articolo approfondisce i principi del layout dei PCB ad alte prestazioni con approcci alla progettazione termica, una sinossi delle power delivery network (PDN) e delle strategie per instradare correnti elevate con impedenza ridotta, oltre a fornire considerazioni importanti per progettare una efficace capacità di disaccoppiamento.

La progettazione del sistema di alimentazione tende di solito a concentrarsi su convertitori, componenti discreti e accessori necessari per ottenere energia, dalla sorgente al carico, trattando il PCB come un piano di montaggio e di instradamento, basandosi principalmente su circuiti di feedback e di controllo per compensare le molte piccole perdite e impedenze in un tipico circuito stampato. Negli ultimi anni, tuttavia, i carichi ad alta densità come i processori per l’IA e il supercalcolo sono diventati più sofisticati e molto più veloci, spingendo ogni componente a funzionare al massimo delle sue capacità. Requisiti di regolazione esatta della tensione e transitori con picchi estremamente elevati fanno sì che ogni fonte di caduta di tensione e ogni fonte di perdita di potenza all’interno del sistema, non importa quanto possa essere piccola, abbia un impatto negativo misurabile. Il layout dei PCB è quindi fondamentale per ottenere prestazioni elevate. Questa breve panoramica dei principi del layout dei PCB per alte prestazioni include approcci di progettazione termica, una panoramica della PDN (power delivery network), strategie per instradamento di correnti elevate con impedenza ridotta e alcune importanti considerazioni per progettare capacità di disaccoppiamento efficaci.

L’immagine a destra mostra un esempio di progetto aggiornato creato da Vicor per test e dimostrazioni. In questa scheda di test, un regolatore PRM e due moltiplicatori di corrente VTM montati su un PCB ad alta densità alimentano un modulo di carico che simula un processore di calcolo ad alte prestazioni.

Durante il funzionamento, una piastra fredda o dissipatore di calore verrebbero montati sui VTM e sul modulo di carico e un altro dissipatore di calore verrebbe montato sul PRM.

La progettazione termica

Lo scopo della gestione termica nella progettazione di un impianto elettrico è quello di spostare efficacemente il calore dalle giunzioni che lo producono all’aria circostante, nell’ambiente. Alcuni trasferimenti avverranno naturalmente, ma anche nei progetti convenzionali è di solito necessario aggiungere dissipatori di calore e ventilatori. Per i sistemi ad alta densità è necessaria un’analisi dettagliata del trasferimento di calore con particolare attenzione al PCB fin dall’inizio del processo di progettazione, al fine di utilizzare al massimo anche il PCB stesso come conduttore di calore.

Le principali fonti di calore in un sistema elettrico sono le giunzioni interne di componenti attivi come i convertitori di potenza. Ai fini di un modello termico topologico, tuttavia, questi possono essere rappresentati come un nodo a un’estremità di un circuito equivalente. (Figura 1a). Ogni componente o materiale che il calore proveniente da quella giunzione interna deve attraversare per raggiungere l’aria nell’ambiente che circonda il sistema di alimentazione può essere rappresentato come una resistenza che impedisce il flusso di calore verso quell’aria. Il circuito termico equivalente mostra il percorso più ovvio che il calore segue dalla giunzione interna di un convertitore di potenza: attraverso l’involucro, TIM e infine il dissipatore di calore verso l’aria nell’ambiente. Mostra anche un secondo percorso parallelo, meno ovvio, attraverso il PCB. Questo secondo percorso è spesso sottovalutato, ma è difficile enfatizzare troppo la sua importanza nella progettazione di potenza ad alta densità.

I modelli termici possono diventare abbastanza complessi con un’impedenza termica diversa per ogni rete o regione. Indipendentemente dalla complessità, il modello termico identificherà le reti con i percorsi di impedenza più bassi per trasportare il calore lontano dalle giunzioni interne di un componente.

Il progettista può quindi utilizzare queste informazioni per massimizzare la conduzione del calore aumentando il rame dedicato a quella rete, ovvero estendendo piani di rame esterni e utilizzando vie termiche per aumentare l’area superficiale oltre il minimo e per aumentare il potenziale di dissipazione del calore. Se necessario, è possibile utilizzare vari tipi di vie: vie sovrapposte o sepolte, VIPPO e vie tradizionali through-hole, sono infatti tutte opzioni efficaci nel kit di strumenti del progettista.

Panoramica dei PDN

L’impedenza del PDN, in particolare all’interno del PCB, è l’area di maggiore criticità per i sistemi di potenza per calcolo ad alta densità. Questi sistemi funzionano ad altissima frequenza. In un tipico sistema di potenza di calcolo ad alte prestazioni, il PDN è costituito da diversi elementi tra l’uscita del regolatore di tensione e il punto di rilevamento, che di solito, si trova all’interno della CPU sul die o sull’interconnessione BGA. I condensatori di bypass, i condensatori di disaccoppiamento con associati vie e interconnessione BGA costituiscono i componenti discreti del PDN. I passaggi di carico ad alta frequenza generati dai potenti processori di supercalcolo sono così veloci che c’è molto poco che il loop di controllo possa fare per ridurre al minimo gli effetti del PDN. Ecco perché il PDN è parte integrante del progetto. (Figura 2)

Routing ad elevata corrente: riduzione dell’impedenza PDN

È fondamentale definire in anticipo l’impilamento dei PCB e la planimetria, includendo il conteggio complessivo degli strati, il numero di strati dedicati a potenza e terra e quale il peso del rame da utilizzare. Successivamente, si dovranno identificare gli strati dedicati ai piani di massa continui per l’instradamento di segnali. Quindi, il definire gli strati necessari per tutte le reti che richiedono un instradamento controllato dell’impedenza, con limiti per le componenti parassite o con altre considerazioni speciali. L’arrivare a queste considerazioni è fondamentale quando si progetta per processori ad alta corrente che assorbono 1000 ampere o più.

Alcune tecniche di stima accelereranno le prime fasi della progettazione dei PCB, rendendo più facile impiegare la simulazione per perfezionare ulteriormente la progettazione stessa. Il metodo dei quadrati per stimare la resistività del piano di rame è una tecnica semplice ed efficace. Una variazione sul metodo dei quadrati può anche essere utilizzata per stimare l’induttanza dei piani di potenza e di ritorno adiacenti. (Figura 3)

Vie di resistenza e induttanza possono anche essere stimate con semplici calcoli basati sulla geometria perché una via può essere concettualizzata come un sottile foglio di rame arrotolato in un tubo. Una via di resistenza (R) è quindi pari al prodotto della resistività della placcatura e Via lunghezza (L) diviso per l’area della sezione trasversale di placcatura (A). (Figura 4)

La capacità parassitaria è un’altra fonte significativa di impedenza in un PCB, ed è quindi necessario includerla in qualsiasi simulazione. Come per le stime di resistenza e induttanza, il calcolo approssimativo della capacità parassitaria in un PCB parte dalle proprietà fisiche di base: in generale, la capacità tra una coppia di piani conduttori paralleli aumenta proporzionalmente all’area superficiale; aumenta anche inversamente alla spaziatura dielettrica. (Figura 5)

Capacità di disaccoppiamento

I sistemi di potenza ad alta densità richiedono condensatori di disaccoppiamento selezionati molto accuratamente per filtrare il rumore di commutazione ad alta frequenza. Questo tipo di applicazione richiede condensatori che presentano una ESR (equivalent series resistance) molto bassa e una SRF (self-resonant frequency) adeguatamente elevata: oltre questo punto, un condensatore smette di essere un filtro efficace di rumore ad alta frequenza perché la sua impedenza diventa induttiva a causa della ESL (equivalent series inductance). Il valore di capacitanza può essere anche meno importante nel complesso. (Figura 6)

Raggiungere bassi ESR e ESL è il primo obiettivo, e per questo un progettista dovrebbe considerare condensatori a bassa induttanza e a geometria inversa, più piccoli, che avvicinano i terminali positivi e negativi e aumentano la SRF (self-resonant frequency). Per ridurre al minimo l’induttanza del loop è importante posizionare con cura sia il componente che le vie. Un esempio di un sistema progettato per gestire uno step di carico di 1000 A a 10.000 A/µs mostra come i condensatori di disaccoppiamento 0402 posizionati molto vicini al modulo di potenza attenuano il ripple, mentre altri condensatori nel socket disaccoppiano il carico dal PDN. (Figura 7)

Conclusioni

Progettare reti di distribuzione di potenza per il calcolo ad alte prestazioni e l’IA è una sfida complessa, visti i requisiti di potenza, sempre crescenti in termini di livelli di corrente e precisione di tensione richiesti dai processori avanzati di oggi. Sono quindi necessarie tecniche di modellazione e stima aggiornate per la progettazione termica e PDN, nonché criteri avanzati di selezione e posizionamento dei componenti.

Il testo originale dell'articolo in lingua inglese è presente al seguente indirizzo: https://www.vicorpower.com/resource-library/articles/pcb-layout-and-thermal-design-for-high-density-modular-power-sys?utm_source=selezione&utm_medium=email&utm_campaign=l05_general_newsletter_emea&utm_content=article_pcb_layout