[Elettronica] Disturbi induttivi sulle linee di alimentazione dei chip
Sto studiando i disturbi dovuti alle componenti induttive sulle linee di alimentazione.
Essendo la lunghezza delle interconnessioni dell'ordine dei $\mu m$, queste sono irrilevanti on-chip, ma cominciano ad assumere una certa rilevanza quando si collega il chip al package esterno, essendo stavolta le lunghezze dei fili di collegamento dell'ordine dei $cm$ all'incirca.
Si può dimostrare che la caduta su tali induttanze, essendo l'ordine delle capacità dei pin di I/O maggiore di quelle on-chip, si può avvicinare al valore dell'alimentazione provocando disturbi non indifferenti, soprattutto quando avvengono commutazioni simultanee.
La soluzione consiste nella separazione delle alimentazioni, prevedendo almeno quattro anelli di alimentazione: due (VDD_INT e GND_INT) dedicati esclusivamente al core, mentre altri due (VDD_EXT e GND_EXT) dedicati solo ai pin di I/O.
I dubbi sono questi:
1) Affinché ci sia induttanza è necessario che ci sia un flusso di campo magnetico che attraversa un avvolgimento metallico percorso da corrente. Il rapporto tra le due quantità è proprio l'induttanza. Per quale motivo su un filo che supponiamo per semplicità, rettilineo, ma sicuramente non avvolto su se stesso, che collega il chip al package, può esserci un effetto induttivo e come dipende matematicamente dalla sua lunghezza L?
2) Se ci sono due morsetti per VDD e due per GND, vuol dire che devo utilizzare almeno due batterie per alimentare il chip?
3) Se devono essere presenti almeno 2 morsetti per VDD e 2 per GND, per quale motivo, ad esempio, questo timer 555 ne presenta solamente 2 (1 per VDD e 1 per GND)?
Grazie.
Essendo la lunghezza delle interconnessioni dell'ordine dei $\mu m$, queste sono irrilevanti on-chip, ma cominciano ad assumere una certa rilevanza quando si collega il chip al package esterno, essendo stavolta le lunghezze dei fili di collegamento dell'ordine dei $cm$ all'incirca.
Si può dimostrare che la caduta su tali induttanze, essendo l'ordine delle capacità dei pin di I/O maggiore di quelle on-chip, si può avvicinare al valore dell'alimentazione provocando disturbi non indifferenti, soprattutto quando avvengono commutazioni simultanee.
La soluzione consiste nella separazione delle alimentazioni, prevedendo almeno quattro anelli di alimentazione: due (VDD_INT e GND_INT) dedicati esclusivamente al core, mentre altri due (VDD_EXT e GND_EXT) dedicati solo ai pin di I/O.
I dubbi sono questi:
1) Affinché ci sia induttanza è necessario che ci sia un flusso di campo magnetico che attraversa un avvolgimento metallico percorso da corrente. Il rapporto tra le due quantità è proprio l'induttanza. Per quale motivo su un filo che supponiamo per semplicità, rettilineo, ma sicuramente non avvolto su se stesso, che collega il chip al package, può esserci un effetto induttivo e come dipende matematicamente dalla sua lunghezza L?
2) Se ci sono due morsetti per VDD e due per GND, vuol dire che devo utilizzare almeno due batterie per alimentare il chip?
3) Se devono essere presenti almeno 2 morsetti per VDD e 2 per GND, per quale motivo, ad esempio, questo timer 555 ne presenta solamente 2 (1 per VDD e 1 per GND)?
Grazie.
Risposte
1) Un filo percorso da corrente produce nello spazio un campo magnetico e quindi immagazzina un'energia che può anche essere scritta come $1/2Li^2$. Questa formula definisce un'induttanza propria L del conduttore che è somma di due contributi:
a) contributo interno dovuto al campo interno al conduttore dove si ha fisicamente il passaggio di corrente
b) contributo esterno, dovuto al campo all'esterno del conduttore.
In ogni caso (e necessariamente nel caso b)) non si può prescindere da come si chiude la corrente nel circuito per cui in genere si fanno delle ipotesi che portano alle varie formule disponibili (ad. es. https://my.electricianexp.com/it/indukt ... ovoda.html per un filo rettilineo) tipicamente derivate dalla formula generale di Neumann.
2) Dipende dal tipo di disturbi che si creano e dal circuito, per cui non so darti una vera risposta. Tuttavia non credo che siano realmente necessarie due alimentazioni isolate galvanicamente, che è una soluzione adottata solo in presenza di disturbi ad "alta" energia. Probabilmente basta derivare l'alimentazione in ciascuna parte direttamente in un solo punto (idem per la massa) e da quello partire per alimentare tutta la relativa parte di circuito. Questo accorgimento dovrebbe limitare la propagazione dei disturbi tra Int e Ext.
3) Anche su questa domanda non sono in grado veramente di risponderti. Noto solo che esiste un morsetto di discharge, collegato al collettore di un BJT che serve per scaricare il condensatore di temporizzazione durante la transizione in stato low, che forse potrebbe aiutare anche da questo punto di vista, rendendo superfluo alimentare con 2 alimentazioni. Ma potrebbe anche essere più banalmente che il 555 non sia affetto dal problema in modo significativo.
a) contributo interno dovuto al campo interno al conduttore dove si ha fisicamente il passaggio di corrente
b) contributo esterno, dovuto al campo all'esterno del conduttore.
In ogni caso (e necessariamente nel caso b)) non si può prescindere da come si chiude la corrente nel circuito per cui in genere si fanno delle ipotesi che portano alle varie formule disponibili (ad. es. https://my.electricianexp.com/it/indukt ... ovoda.html per un filo rettilineo) tipicamente derivate dalla formula generale di Neumann.
2) Dipende dal tipo di disturbi che si creano e dal circuito, per cui non so darti una vera risposta. Tuttavia non credo che siano realmente necessarie due alimentazioni isolate galvanicamente, che è una soluzione adottata solo in presenza di disturbi ad "alta" energia. Probabilmente basta derivare l'alimentazione in ciascuna parte direttamente in un solo punto (idem per la massa) e da quello partire per alimentare tutta la relativa parte di circuito. Questo accorgimento dovrebbe limitare la propagazione dei disturbi tra Int e Ext.
3) Anche su questa domanda non sono in grado veramente di risponderti. Noto solo che esiste un morsetto di discharge, collegato al collettore di un BJT che serve per scaricare il condensatore di temporizzazione durante la transizione in stato low, che forse potrebbe aiutare anche da questo punto di vista, rendendo superfluo alimentare con 2 alimentazioni. Ma potrebbe anche essere più banalmente che il 555 non sia affetto dal problema in modo significativo.
Capisco, grazie.
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