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Miniaturización cambia la jugada en diseño de PCBs multi-riel

El uso combinado de FPGA, microprocesadores, MCU, ASIC y hasta DSP en una sola tarjeta de circuitos digitales, requiere de alta supervisión del diseñador para asegurar que se utilicen los adecuados voltajes para cada uno de estos componentes sin que se produzcan fallas operativas.

(ElectronicosOnilne.com Magazine / Oswaldo Barajas)

El arribo de PCBs diseñadas para hospedar diversos circuitos integrados como FPGAs, microprocesadores (µP), DSPs o ASICs, han hecho que se dispare su complejidad en términos de asignación voltáica durante su diseño, pues cada componente posee su propio requerimiento y aunado a esto, los sistemas han pasado a un nivel superior de miniaturización electrónica por debajo de los 14 nanómetros.

Miniaturización cambia la jugada en diseño de PCBs multi-riel

La adherencia de más componentes a una sola tarjeta impresa, incrementa la variedad de especificaciones dieléctricas del sistema, de tal forma que la tarjeta se convierte en multi-riel, formato que demanda un cuidado superior de parte del ingeniero desarrollador.

Por ejemplo, placas de circuito con miscelánea de chips y microcontroladores montados registran puntos de carga que van desde 1V hasta 12V, lo que requiere de un estricto control y supervisión de la estructura voltaica para prevenir errores de sistema.

Pero aunado a la semántica de componentes de procesamiento con sus respectivos requerimientos energéticos, también la tecnología de Silicio ha migrado a procesos de manufactura por debajo de los 14 nanómetros lo que aumenta más su dificultad en tareas de diseño y desarrollo.

En el interior de los chips, sus corazones, núcleos o ‘cores’, se registra la salida de voltaje más baja, usualmente menor a 1V, pero las especificaciones de precisión para los procesadores también se han endurecido a un 3%, lo que se traduce en una apretada tolerancia tanto para el voltaje de suministro como el propio voltaje de supervisión.

Los elementos que soportan la alimentación de todos los componentes en un PCB son los rieles dieléctricos, mismos que han proliferado en los últimos años conforme a las nuevas disposiciones de diseño electrónico, que para hoy en día han hecho común una estructura con aproximadamente 10 rieles para alimentar a todos los circuitos analógicos.

Desafortunadamente suele suceder que los niveles exactos de consumo de alimentación son identificados tarde, hasta que la tarjeta ha pasado al ciclo de diseño físico, la fabricación o incluso el ensamblado, lo que genera pérdidas severas para las compañías y por supuesto una mala reputación para los ingenieros a cargo del proyecto pues se tiene que retrabajar.

El objetivo común en el diseño de placas multi-riel, es lograr un diseño optimizado en su consumo de energía para que cada uno de los componentes montados trabaje óptimamente. Pero esto conlleva a implementar tareas de supervisión especial, además de un ajuste del umbral basado en cada uno de los componentes.

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Banda de tolerancia
Banda de tolerancia aplicando umbral de supervisón

A menudo los cambios del umbral son aplicados retrabajando los divisores resistivos o colocando puentes. Pero el ajuste de granularidad es limitado y el procedimiento suele ser tortuoso y complejo, además de que consume mucho tiempo y está propenso a errores.

La supervisión de voltaje resulta entonces una fase imprescindible dentro del ciclo de diseño de las placas ya que de esto depende la calidad y buena operatividad del sistema en general, principalmente lo que respecta a lograr un buen nivel de eficiencia energética.

En un ejemplo sobre la importancia de establecer un adecuado esquema de supervisión del umbral en sistemas multi riel, la compañía desarrolladora de herramientas para diseño electrónico, Synopsys, explica mediante un artículo técnico titulado “Verificación del bajo Consumo para Sistemas Multi-riel”, que en caso de que una placa contara con un procesador con voltaje (redondeado) 1V±3% para su núcleo, esto implicaría validar el rango operacional de entre 0.97V y 1.03V. En este punto, el personal a cargo puede elevar la fiabilidad del sistema empleando un supervisor de tensión externo para monitorear el suministro en lugar de confiar solo en el módulo interno de potencia del microprocesador.

Asumamos que en una situación controlada libre de variaciones del sistema, el umbral supervisor de tensión mínima se ubica exactamente en 0.97V, con lo cual se reestablece una señalización tan pronto como el voltaje cae a menos de 0.97V. En este sentido los supervisores de tensión se construyen a partir de tensiones analógicas de referencia y de comparadores, de los cuales cada uno posee una banda de tolerancia que contribuye a la variación del umbral supervisor, tal y como se muestra en la siguiente ilustración.

De acuerdo a Synopsys, para un umbral de supervisión de 0.97V con una precisión ±1%, el umbral varía desde 0.96V hasta 0.98V, pero cuando el umbral está en el extremo inferior (0.96V) el suministro podría estar fuera del rango voltáico válido para el núcleo del microprocesador.

“Para remediar esto, el umbral nominal está establecido en 1% superior a los 0.97V del extremo final del rango válido (por ejemplo en 0.98V). La desventaja es que cuando la tensión es menor a 0.99V, se podría resetear debido al alto umbral supervisor. Por consiguiente, la fuente de alimentación requeriría estar por encima de 0.99V ó 1V−1%”, explica el documento de Synopsys.

La firma refiere que este mismo análisis aplica para los umbrales de sobrevoltaje que puedan estar establecidos por ejemplo en 1.02V, restringiendo por efecto el extremo superior del rango de tensión en 1.01V ó 1V+1%.

El mismo informe subraya que una especificación dieléctrica de ±3% sobre un microprocesador acoplado a un umbral supervisor de precisión genera un requerimiento de tolerancia de suministro de ±1%, y aclara que un umbral de a ±1.5% produce una tolerancia de alimentación imposible a 0%. Pero en caso de que la protección para sobrevoltaje no se requerida, la tensión puede establecerse entre 0.99V y 1.03V, lo que funcionaría bien a 1.01V±2%.

La compañía hace referencia en la importancia que tienen los umbrales supervisores de precisión en las placas multi-riel con formatos nanométricos explícitos, principalmente aquellas que de base integran uno o varios microprocesadores, pues esta técnica juega un papel importante en la determinación de la tolerancia dieléctrica del sistema y por consiguiente en los requerimientos eléctricos de las fuentes de suministro.

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