Razón de múltiples GND y VCC en un IC

Tres razones vienen a la mente:

1) Eche un vistazo a este primer plano de las tripas de un microcontrolador.

Están sucediendo MUCHAS cosas allí. Y cada parte de ese troquel necesita energía. La energía proveniente de cualquier pin probablemente tendrá que sortear muchas cosas para llegar a cada parte del dispositivo. Múltiples líneas eléctricas le dan al dispositivo múltiples vías para obtener energía, lo que evita que el voltaje caiga tanto durante eventos de alta corriente.

2) A veces, los diferentes pines de alimentación suministran periféricos específicos dentro del chip. Esto se hace cuando ciertos periféricos necesitan un suministro de voltaje lo más limpio posible para funcionar correctamente. Si los periféricos comparten la fuente de alimentación que usa el resto del chip, puede estar sujeto a ruido en la línea y caídas de voltaje. Un ejemplo es la fuente de alimentación analógica. Notaste que es típico ver un pin AVCC en MCU. Ese pin es un suministro dedicado solo para los periféricos analógicos en el chip. Realmente, esto es solo una extensión del n. ° 1 anterior.

3) No es raro que una MCU alimente su núcleo con un voltaje pero opere los periféricos con otro. Por ejemplo, un chip ARM con el que trabajé usó recientemente 1.8V para su núcleo. Sin embargo, los pines de salida digital suministrarían 3,3 V cuando se activan a nivel alto. Por lo tanto, el chip requería un suministro de 1,8 V y un suministro separado de 3,3 V.

Lo más importante que debe recordar es que todos esos pines de suministro son absolutamente necesarios para conectarse . No son opcionales, incluso cuando se realiza un trabajo de desarrollo.

En cuanto a la almohadilla inferior del chip, está ahí para disipar el calor adicional. El diseñador del chip decidió que es posible que la carcasa y los pines del chip no absorban el calor del silicio lo suficiente. Por lo tanto, la almohadilla adicional en la parte inferior actúa como un disipador de calor para ayudar a mantener baja la temperatura. Si se espera que la pieza deba disipar mucho calor, querrá tener un gran vertido de cobre para soldar esa almohadilla.

Hay tres razones principales para requerir múltiples pines de alimentación y tierra.

1. Impedancia. Los chips pueden consumir mucha corriente. Los chips CMOS en particular (básicamente cualquier IC digital moderno) consumen grandes cantidades de corriente durante períodos muy cortos de tiempo en cada ciclo de reloj. Cualquier impedancia (en este caso, resistencia o inductancia) en la conexión de suministro provocará variaciones o caídas de voltaje en la red de distribución de energía del chip. Esto puede causar problemas con la operación confiable. Esta es también la razón por la que se utilizan condensadores de derivación; evitan que estos transitorios de conmutación afecten a otros componentes de la placa a través de los rieles de alimentación al proporcionar una ruta de retorno para las corrientes de alta frecuencia muy cerca del chip. Los chips grandes en realidad colocan condensadores de derivación directamente en el paquete. Si observa una CPU moderna, puede ver condensadores de derivación soldados al paquete alrededor de la matriz del chip y/o en la parte inferior si hay un agujero en el pinout. El mejor lugar para colocarlos sería en la propia matriz, pero los capacitores ocupan una gran cantidad de área de silicio y, por lo tanto, en la mayoría de los casos, esto es demasiado costoso para ser factible. Se utilizan pines de suministro analógico separados para evitar que el ruido de conmutación de la parte digital del chip afecte a la parte analógica del suministro a través de la impedancia del pin y/o el cable de conexión. También se requieren múltiples pines de suministro para chips que consumen grandes cantidades de corriente. Un microprocesador moderno puede consumir alrededor de 100 A a alrededor de 1 voltio. La resistencia del cableado de alimentación debe ser muy baja, de lo contrario habrá una pérdida de calor muy significativa.

2. Múltiples requisitos de voltaje. A veces, diferentes partes de un chip funcionarán a diferentes voltajes. Un ejemplo clásico es un núcleo de bajo voltaje y E/S de alto voltaje. El núcleo usa un voltaje más bajo para reducir el consumo de energía (el consumo de energía en CMOS es más o menos proporcional a la frecuencia y al cuadrado del voltaje, por lo que si puede reducir el voltaje en un 30 por ciento, puede obtener una reducción de energía del 50 por ciento) mientras que la E/S funciona a un voltaje más alto para interactuar mejor con los circuitos externos. A veces, el voltaje del núcleo es incluso variable. Esto se hace en una técnica de optimización de energía llamada escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS). A medida que cambia la carga del software en el chip, ordenará que la frecuencia y el voltaje cambien para ahorrar energía. Cuando se baja la frecuencia, el voltaje también se puede bajar para lograr un '

3. Requisitos de integridad de la señal. En los chips modernos, las señales en los pines pueden cambiar muy rápidamente. La corriente requerida por estas transiciones requiere una ruta de retorno a través de un pin de alimentación o de tierra. Si este pin está lejos, termina creando un bucle inductivo bastante grande que no solo afecta al pin de alimentación/tierra y al pin de señal en cuestión, sino también a cualquier otro pin en el bucle debido al campo magnético. Esto da como resultado una diafonía en la que una señal afecta a las señales adyacentes. Los chips deben diseñarse no solo con suficiente potencia y clavijas de tierra para suministrar energía, sino también con clavijas en ubicaciones razonables para reducir la diafonía.

Xilinx creó un esquema particular de conexión a tierra y alimentación llamado chevron escaso. La idea es crear un patrón de pines de alimentación y tierra que coloquen rutas de retorno lo más cerca posible de todos los pines de E/S, sin requerir una cantidad increíble de pines de alimentación y tierra. La siguiente figura representa todos los pines de alimentación y tierra en un FPGA Virtex 4 en un paquete BGA con 1513 pines.

La alta concentración de pines Vccint y de tierra en el centro suministra el voltaje central a la matriz FPGA real. El FPGA puede consumir hasta 30 o 40 amperios a 1,2 voltios. Se requiere una gran cantidad de pines para proporcionar una ruta de baja impedancia para el suministro de alta corriente a la matriz lógica programable. Los pines Vccaux suministran energía a algunos circuitos de soporte, incluida la interfaz JTAG. El patrón de Vcco y los pines de tierra suministran energía a los bancos de E/S. También proporcionan rutas de retorno para las señales de E/S reales. Cada pin de E/S está junto a al menos un pin de alimentación o de tierra, lo que minimiza la inductancia y, por lo tanto, la diafonía generada.

Algunos FPGA también incorporan transceptores de alta velocidad que pueden alcanzar los 28 gigabits por segundo. Los serializadores y deserializadores de alta velocidad son básicamente circuitos analógicos de muy alta velocidad (uno llega a una velocidad lo suficientemente alta, ya nada es realmente digital) y, por lo tanto, necesitan suministros dedicados. Por lo general, estos se suministran con reguladores lineales separados para garantizar que este circuito sensible funcione correctamente y garantizar que los transitorios de muchos GHz no afecten negativamente a nada más.

La razón para separar VCC y tierra analógica y digital es separar y mantener limpios los rieles. Las entradas analógicas son sensibles al ruido digital.

El motivo de múltiples conexiones a tierra externas puede deberse a la eficiencia del cableado interno. A veces no es práctico enrutar una conexión a tierra internamente en la oblea IC. Pero otra razón es la disipación de calor. Se utilizan varios pines de tierra, incluidas las conexiones GND debajo de la carcasa, para garantizar una mayor conductividad térmica en la PCB a la que está conectado el IC.

Además, extraer mucha corriente puede ser poco práctico en un solo pin. Piense en la resistencia: esos cables son muy delgados y no pueden transportar mucha corriente.

Por lo tanto, un µC más complejo distribuye su requisito de carga entre muchos pines. Esta es también a menudo la razón por la que los cables transportan dos o más líneas alimentadas, por ejemplo, Power-over-Ethernet.