Las aplicaciones portátiles están en todas partes del mundo hoy en día. Un ejemplo vívido es el omnipresente teléfono móvil. La portabilidad significa un tamaño de aplicación pequeño, es decir, portátil, y los sistemas seguirán reduciéndose para impulsar el mercado. Portable no solo es pequeño, sino que sigue agregando funciones. Como resultado, existe una tendencia continua a reducir el espacio de la placa de circuito para acomodar los semiconductores que permiten la aplicación. Los diseños portátiles en evolución y la incorporación de más funciones requieren chips en paquetes más pequeños.
descripción general
Hoy, estamos en una generación donde el principio de “cuanto más pequeño, mejor” es ampliamente señalado. La innovación que impulsa la invención de nuevos dispositivos es el resultado de esfuerzos continuos para producir los componentes y dispositivos de menor tamaño del mercado. La necesidad de dispositivos pequeños surgió del estilo de vida acelerado de la sociedad actual, donde se prefieren los dispositivos portátiles a los dispositivos inmóviles.
Las aplicaciones portátiles están en todas partes del mundo hoy en día. Un ejemplo vívido es el omnipresente teléfono móvil. La portabilidad significa un tamaño de aplicación pequeño, es decir, portátil, y los sistemas seguirán reduciéndose para impulsar el mercado. Portable no solo es pequeño, sino que sigue agregando funciones. Como resultado, existe una tendencia continua a reducir el espacio de la placa de circuito para acomodar los semiconductores que permiten la aplicación. Los diseños portátiles en evolución y la incorporación de más funciones requieren chips en paquetes más pequeños.
Los troqueles de semiconductores se revisan continuamente y se hacen más pequeños a medida que evolucionan los procesos. Sin embargo, el paquete en el que reside el troquel es de mayor tamaño en comparación. El empaque siempre determina el tamaño del producto final, pero a medida que avanza la tecnología de empaque, la relación entre el empaque y el troquel disminuye. Los paquetes sin cables, como el paquete plano cuádruple muy delgado despoblado sin cables (DQFN) y el paquete sin cables Micro (MLP), generalmente ofrecen una reducción del factor de forma de próxima generación. DQFN reduce significativamente la huella de hardware requerida para la implementación. DQFN también ofrece una excelente disipación de energía al proporcionar una paleta de fijación de troquel expuesta (DAP) debajo del paquete. La Figura 1 muestra la gran diferencia de tamaño entre TSSOP y DQFN.
El TSSOP de 14 pines tiene un área de huella de 32 milímetros cuadrados. La extensión del pin ocupa el 31% del área de montaje requerida. El área requerida para DQFN es de solo 7,5 milímetros cuadrados. DQFN es pequeño y no tiene extensión de pin. DQFN es un 75 % más pequeño en comparación con TSSOP. DQFN tiene una altura pequeña y un peso ligero. De hecho, los ahorros de espacio en la placa con MLP son significativos. Sin embargo, usar una solución sin cables en su diseño tiene otra ventaja. Esto reduce el ruido de conmutación inherente. El resto de este informe técnico analiza los beneficios del bajo nivel de ruido de los envases sin plomo.
Paquete de inductancia y ruido de conmutación
Las conexiones de la matriz de silicio al circuito externo consisten en cables de enlace y pines de paquete. Los cables de unión que conectan la matriz al marco de conductores y los pines que extienden esta conexión al circuito externo crean caminos guiados. En MLP, los pines a veces se denominan más correctamente pads, por lo que el marco de plomo no crea mucha inductancia asociada. Aunque importantes, estas conexiones inductivas introducen ruido en los rieles de potencia durante las transiciones de estado lógico de salida.
La figura 2 representa un modelo de estas inductancias que aparecen desde la matriz hasta el circuito externo. L5, L6, L7 y L8 son las inductancias de los hilos de unión y L1, L2, L3 y L4 son las inductancias de los pines. CL representa la carga de salida del dispositivo y consta de las trazas de la placa de circuito y la carga capacitiva de entrada del receptor aguas abajo.
El voltaje de ruido de conmutación desarrollado a través de la inductancia de conexión que se muestra en la Figura 2 viene dado por la ecuación Vn = Ldi/dt. donde L es la inductancia de ruta de corriente de bucle o de retorno de salida. El componente di/dt es la corriente de salida total a lo largo del tiempo requerida para cambiar la salida de un estado a otro. El voltaje de ruido Vn desarrollado a través de estas inductancias y basado en la demanda actual debe agregarse al potencial del riel de alimentación durante las transiciones de señal. Durante una transición de ALTO a BAJO, la corriente requerida para impulsar el estado de cambio de salida debe regresar a la referencia de tierra a través de la inductancia del paquete. Suponiendo que las clavijas de conexión a tierra del dispositivo y la carga estén conectadas directamente a un plano de tierra continuo de baja inductancia y baja impedancia, la ruta de la corriente de regreso al troquel es esencialmente el marco de conexiones del paquete y las inductancias L1 y L7 del cable de conexión (consulte la Figura 2). Estas inductancias están en serie y se suman para formar el componente L de la ecuación de voltaje de ruido.
Ruido del paquete de aplicaciones
Para ilustrar cómo la inductancia del paquete afecta el ruido en una aplicación, derivamos el voltaje de ruido real producido por el paquete TSSOP de 20 pines y lo comparamos con el paquete DQFN de 20 pines. Se utilizan dos técnicas lógicas de alta velocidad.
Los controladores de búfer octal 74VCX245 y 74LCX245 se aplican para controlar una carga de 30 pF con un VCC de 2,3 V. Calcule la resistencia de salida usando la fórmula RC = 0.63(T) para determinar la corriente transitoria. Una constante de tiempo RC representa el 63% de las transiciones de borde de salida. Tenga en cuenta que los parámetros utilizados en la aplicación muestran la gran diferencia en la inductancia del marco conductor del pin 10 (L1) entre los dos paquetes en negrita a continuación.
Parámetros para el ejemplo de aplicación LCX:
Tiempo de transición de ALTO a BAJO a una carga de 30 pF: 3,64 ns
TSSOP pin 10 inductancia de cable de tierra (L1): 1.86nH
Cable de unión de referencia a tierra TSSOP (L7): 0,56 nH
Inductancia del cable de tierra del pin 10 de DQFN (L1): 0,030 nH
Cable de unión de referencia a tierra DQFN (L7): 0,81 nH
MLP ofrece empaques de semiconductores en una nueva generación de factores de forma pequeños. Los paquetes sin cables ofrecen a los diseñadores de sistemas la oportunidad de reducir el área de espacio de la placa requerida. Además, las aplicaciones de este informe técnico muestran que los paquetes DQFN tienen ventajas eléctricas superiores a los paquetes basados en pines. El gráfico de la Figura 4 muestra la diferencia en el voltaje de ruido de rebote a tierra que se encontró después de comparar los paquetes TSSOP y DQFN en el ejemplo de aplicación anterior.