Richtlinien für die Platzierung von Entkopplungs- und Bypass-Kondensatoren

Probleme mit der Leistungsintegrität werden normalerweise aus der Perspektive der Stromversorgung betrachtet, aber es ist genauso wichtig, auch die Ausgänge von ICs zu betrachten. Entkopplungs- und Bypass-Kondensatoren sollen Leistungsschwankungen im PDN ausgleichen, was für konsistente Signalpegel und eine konstante Spannung an den Strom-/Masseanschlüssen eines ICs sorgt.

Wir haben einige wichtige Entwurfsrichtlinien für Bypass- und Entkopplungskondensatoren zusammengestellt, um Ihnen zu helfen, diese Komponenten erfolgreich in Ihrer nächsten PCB zu platzieren. In diesem Blogbeitrag werden wir uns insbesondere mit den Unterschieden zwischen Bypass-Kondensator vs. Entkopplungskondensator befassen.

Wofür werden Entkopplungs- und Bypass-Kondensatoren eingesetzt?

Entkopplungs- und Bypass-Kondensatoren sollen zwei verschiedene Probleme der Stromintegrität lösen. Obwohl diese Probleme miteinander verbunden sind, manifestieren sie sich auf unterschiedliche Weise.

Der erste Punkt, den es zu beachten gilt, ist, dass die Begriffe „Entkopplungskondensator“ und „Bypass-Kondensatoren“, wenn sie für die Stromintegrität verwendet werden, Fehlbezeichnungen sind; sie entkoppeln oder umgehen nichts. Sie leiten auch kein „Rauschen“ zur Erde weiter; sie laden sich einfach über die Zeit auf und entladen sich wieder, um Schwankungen des Rauschens auszugleichen. Diese Begriffe beziehen sich also auf die Funktionen dieser Kondensatoren als Teil einer Strategie zur Stromintegrität.

Entkopplungskondensatoren

Allgemein wird gesagt, dass der Zweck der Platzierung von Entkopplungskondensatoren auf der Leiterplatte darin besteht, die Spannung zwischen der Stromschiene/-ebene und der Masseebene gegenüber niederfrequentem Netzteilrauschen, Schwingungen im PDN und jeglichen anderen Spannungsschwankungen im PDN konstant zu halten.

Wenn sie zwischen der Strom- und Masseebene platziert werden, ist ein Entkopplungskondensator parallel zu den Ebenen geschaltet, was die gesamte PDN-Kapazität erhöht. Effektiv kompensieren sie unzureichende Zwischenebenenkapazität und reduzieren die PDN-Impedanz, sodass jegliches Schwingen in der PDN-Spannung minimiert wird.

Bypass-Kondensatoren

Bypass-Kondensatoren sollen ebenfalls eine konstante Spannung innerhalb eines PDN und eines treibenden IC aufrechterhalten, aber die Spannung, die sie kompensieren, liegt zwischen dem Ausgangspin und der Massefläche der Leiterplatte.

Obwohl sie zwischen einem Versorgungsspannungspin und einer Masseverbindung an einem IC platziert sind, erfüllen sie eine andere Funktion, nämlich die Bekämpfung von Kondensator-zu-Masse-Schwankungen. Wenn ein digitales IC schaltet, verursacht die parasitäre Induktivität im Bond-Draht, im Gehäuse und im Pin, dass die Spannung zwischen dem Ausgang des Treibers und der Masse ansteigt.

Bypass-Kondensatoren geben eine Spannung aus, die der Spannung der Massefluktuation entgegengesetzt ist. Idealerweise führt dies dazu, dass sich die gesamte Spannungsschwankung zu null summiert.

In dem oben genannten Modell gibt es eine geschlossene Schleife, die den Bypass-Kondensator (CB) und die Streuinduktivität L1 an der IC-Paket-/Masseverbindung umfasst. Beachten Sie, dass die Bodenreflexionsspannung V(GB) zwischen dem Ausgangspin und der Masseebene gemessen wird.

Die verbleibenden Induktivitäten sind alle parasitär, was die Reaktionszeit des Bypass-Kondensators beeinflusst, um eine Bodenreflexion zu kompensieren. In einem idealen Modell würde die vom Bypass-Kondensator gesehene Spannung die durch die Streuinduktivität L1 während des Schaltens erzeugte Bodenreflexionsspannung kompensieren.

Richtlinien für die Platzierung von Bypass-Kondensatoren

Wenn man sich ansieht, wie das Springen von Kondensator zu Masse auftritt, sollte es offensichtlich sein, ob man Bypass-Kondensatoren besser vor oder nach der Schaltung platzieren sollte. Aufgrund der parasitären Induktivität im oben genannten Schaltungsmodell sollte ein Bypass-Kondensator so nah wie möglich an den Strom- und Masseanschlüssen platziert werden, um diese Induktivitäten zu minimieren. Dies steht im Einklang mit den Ratschlägen, die Sie in vielen Anwendungshinweisen und Komponentendatenblättern finden werden.

Es gibt einen weiteren Aspekt zu berücksichtigen, der sich auf parasitäre Induktivitäten bezieht, nämlich wie die Verbindung zum IC geführt wird. Anstatt eine kurze Leiterbahn vom Kondensator zu den IC-Pins zu führen, sollten Sie den Kondensator direkt über Vias mit den Strom- und Masseebenen verbinden. Stellen Sie sicher, dass Sie die Anforderungen an Pad- und Leiterbahnabstände in dieser Anordnung einhalten.

Warum ist das so? Der Grund liegt darin, dass die Anordnung der Masse-/Stromversorgungsebenen (solange die Ebenen in benachbarten Schichten liegen) eine sehr geringe parasitäre Induktivität aufweist. Tatsächlich ist dies die geringste Quelle parasitärer Induktivität auf Ihrer Platine. Sie könnten eine bessere Anordnung implementieren, wenn Sie Ihren Bypass-Kondensator auf der Unterseite der Platine platzieren können.

Richtlinien für die Platzierung von Entkopplungskondensatoren

Nachdem Sie die Größe des Entkopplungskondensators für Ihre PCB bestimmt haben, müssen Sie einen Platz dafür finden, um sicherzustellen, dass er Spannungsschwankungen ausgleichen kann. Es ist tatsächlich am besten, mehrere zu verwenden, da sie parallel angeordnet werden, und die parallele Anordnung wird eine niedrigere effektive Serieninduktivität bieten.

Ältere Richtlinien würden besagen, dass Sie sie überall auf der Platine platzieren können. Seien Sie jedoch vorsichtig, da dies die parasitäre Induktivität zwischen dem Entkopplungskondensator und dem Ziel-IC erhöhen kann, was die PDN-Impedanz und die Anfälligkeit für EMI erhöht.

Stattdessen sollten Sie sie bei ICs mit schnellen Flankenraten näher am Ziel-IC platzieren. Das Bild unten zeigt eine typische Anordnung von Bypass- und Entkopplungskondensatoren in der Nähe eines ICs. Dies ist eine optimale Anordnung für Hochgeschwindigkeitsschaltungen, da es eine sehr geringe parasitäre Induktivität zwischen den Kondensatoren und dem IC für alle Signalwege geben wird.

Beachten Sie, dass dies eine Seitenansicht ist und eine scheinbar ungewöhnliche Anordnung von Pads zeigt, aber die Verbindungen zwischen den Ebenen und der Oberflächenschicht sind die wichtigen Punkte. Die Rückführung in die innere Schicht anstatt in die Oberflächenschicht hält die Schleifeninduktivität auf einem Minimum.

Seien Sie vorsichtig bei der Modellierung der PDN-Impedanz

Denken Sie daran, dass die PDN-Impedanz die Größe jeglichen transienten Spannungsschwankens auf dem PDN bestimmt (gemessen zwischen Stromversorgung und Masse). Die Bypass-Kondensatoren sind jedoch ebenfalls zwischen Stromversorgung und Masse angeschlossen, also sind sie auch Teil des PDN!

Die Platzierung von Bypass- und Entkopplungskondensatoren sowie parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten bestimmen gemeinsam das Impedanzspektrum des PDN und erzeugen eine komplizierte Struktur von Resonanzen und Anti-Resonanzen.

Viele Online-PDN-Optimierungstools gehen davon aus, dass alle parasitären Schaltungselemente null sind, was nicht der Realität entspricht. In einem Schaltungsmodell spielt es keine Rolle, wie Sie Ihre Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren anordnen (von klein nach groß oder von groß nach klein). In einem echten Layout sind Parasiten wichtig (wie oben diskutiert), besonders für Hochgeschwindigkeits-/Niedrigpegel-ICs.

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