Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design: Entkopplungsstrategien für das PDN

Willkommen zum fünften Artikel in unserer Serie, Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design. In diesem Artikel werden wir tiefer in die Strategien der Stromverteilung eintauchen und diskutieren, wie man sie optimieren kann, um die elektromagnetische Interferenz (EMI) Leistung in Ihren PCB-Projekten zu verbessern.

Abbildung 1 - Beispiel einer Entkopplungsstrategie in Altium Designer^®

Ein Schlüsselfaktor bei der Kontrolle von EMI und der Verbesserung der Signalintegrität auf einer digitalen Leiterplatte ist die Implementierung effektiver Entkopplungsstrategien. Diese Ansätze gewährleisten eine saubere und stabile Energieversorgung für die integrierten Schaltkreise (ICs) auf Ihrer Platine.

Um dies zu erreichen, müssen PCB-Designer ein starkes Power Delivery Network (PDN) erstellen, das den Energiebedarf von schnell schaltenden ICs erfüllt und sicherstellt, dass sie die richtige Menge an Strom aus der Stromversorgung erhalten. Ein PDN zu entwerfen, das Energie effizient und rechtzeitig liefert, kann eine Herausforderung sein. Es erfordert die Reduzierung von Verlusten und das Erfüllen der Impedanzanforderungen für eine hohe Leistung.

Da die Datenraten und Signalgeschwindigkeiten weiter zunehmen, wird das Design eines PDN (Power Delivery Network) mit niedriger Impedanz immer wichtiger und zugleich schwieriger. Dies liegt daran, dass das Impedanzprofil eng mit der Frequenz der übertragenen Signale zusammenhängt. Das Ausbalancieren dieser Faktoren ist entscheidend, um die Leistung Ihrer PCB-Designs hoch zu halten und EMI-Probleme zu minimieren. Bei der Gestaltung eines effektiven Power Delivery Network (PDN) werden mehrere gängige Techniken verwendet, wie das Einbinden von Entkopplungskondensatoren oder die Verwendung von Stromebenen und Kupferpolygonen im Stackup.

Jedoch haben sich einige weit verbreitete Methoden und Mythen als nicht nur unwirksam, sondern auch schädlich für die Leistung der Platine erwiesen.

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Antiresonanz

Eine beliebte Technik beinhaltet die Verwendung mehrerer Kondensatoren unterschiedlicher Größen, typischerweise im Bereich von 10nF bis 1µF. Die Idee dahinter ist, dass größere Kondensatoren Energie an die integrierten Schaltkreise (ICs) liefern, während kleinere Kondensatoren hochfrequentes Rauschen filtern. Obwohl dieser Ansatz logisch erscheint, kann er tatsächlich nach hinten losgehen, wenn man versucht, die Gesamtimpedanz des PDN zu reduzieren. Der Grund, warum es kontraproduktiv sein kann, ist, dass reale Kondensatoren sich nicht ideal verhalten; sie haben parasitäre Effekte, die bei höheren Frequenzen signifikant werden.

Kondensatoren zeigen eine kapazitive Impedanz nur bis zu ihrer Resonanzfrequenz. Jenseits dieses Punktes beginnen die Parasitären im Kondensatorgehäuse, die Impedanz zu beeinflussen, was dazu führt, dass sich die Kondensatoren eher induktiv verhalten. Der Versuch, durch die Verwendung von Kondensatoren unterschiedlicher Größen eine höhere Gesamtkapazität und niedrigere Impedanz zu erreichen, kann erhebliche Herausforderungen darstellen. Dies liegt daran, dass jeder Kondensator ein eigenes, einzigartiges Impedanzprofil besitzt, das von seinen spezifischen Eigenschaften beeinflusst wird. Jeder Kondensator hat auch eine andere Resonanzfrequenz, was zu einer Situation führt, in der sich diese Impedanzprofile überschneiden. Diese Überlappung der Impedanzprofile führt zu höheren Impedanzspitzen bei bestimmten Frequenzen. Diese Spitzen treten aufgrund der Interaktion zwischen den verschiedenen Resonanzfrequenzen der Kondensatoren auf.

Abbildung 2 - Anti-Resonanz — Effekt des parallelen Platzierens von Kondensatoren unterschiedlicher Größe mit unterschiedlichen Impedanzprofilen. Quelle: fresuelectronics.com

Als Ergebnis kann die kombinierte Wirkung dieser unterschiedlichen Resonanzfrequenzen Bereiche erhöhter Impedanz erzeugen, was die Gesamtleistung des PDN und die Wirksamkeit der Entkopplungsstrategie negativ beeinflussen kann.

Um dieses Problem anzugehen, ist es besser, Oberflächenmontierte Bauelemente (SMD) Kondensatoren desselben Typs und Gehäuses zu verwenden, mit der geringstmöglichen Leitungsinduktivität. Das parallele Platzieren dieser Kondensatoren hilft, die Kapazitätsanforderungen zu erfüllen, während die Induktivität bei hohen Frequenzen minimiert wird. Zusätzlich kann das Wechseln der Polarität der Kondensatoranschlüsse die gegenseitige Induktivität reduzieren und die Gesamtinduktivität des PDN senken.

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Kondensatorplatzierung

Bei der Platzierung von Entkopplungskondensatoren ist es wesentlich, das Problem der Induktivität anzugehen, das mit steigenden Signalfrequenzen zunehmend signifikant wird. Um dies zu mildern, sollten Kondensatoren so nah wie möglich an den Strompins der Integrierten Schaltkreise (ICs) positioniert werden, die Strom für ihren Betrieb ziehen. Indem wir die Kondensatoren nahe bei den ICs platzieren, können wir die Distanz, die der Strom zurücklegen muss, minimieren und damit die induktiven Effekte reduzieren, die die Leistung bei hohen Frequenzen beeinträchtigen können.

In diesem Kontext sollte die primäre Sorge des Designers nicht nur auf die physische Distanz beschränkt sein, die der Strom zurücklegen muss, sondern vielmehr sollten sie den genauen Pfad, den der Strom folgt, sorgfältig bedenken. Obwohl es wichtig ist, den Abstand zwischen dem Entkopplungskondensator und dem Pin, zu dem er verbunden ist, zu reduzieren, liegt der zugrundeliegende Grund hierfür darin, die parasitäre Induktivität, die mit den Leiterbahnen verbunden ist, zu minimieren. Diese enge Platzierung hilft sicherzustellen, dass die Kondensatoren die notwendige Ladung effektiv an die ICs liefern können, was hilft, die Stromversorgung zu stabilisieren und die Signalintegrität zu erhalten.

Abbildung 3 - Beispiel für die Platzierung eines Entkopplungskondensators neben dem IC mit Altium Designer

Indem der Pfad optimiert wird, anstatt sich nur darauf zu konzentrieren, ihn zu verkürzen, kann der Designer sicherstellen, dass der Strom auf die effizienteste Weise fließt, wodurch das Potenzial für elektromagnetische Interferenzen (EMI) reduziert und die Gesamtleistung des Schaltkreises verbessert wird.

Daher kann eine angemessene Pfadplanung genauso kritisch sein wie die Minimierung der Distanz selbst, da beide direkt die parasitären Effekte beeinflussen, die die Stabilität und Funktionalität des Schaltkreises beeinträchtigen könnten.

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Neben der Sicherstellung, dass die Kondensatoren in unmittelbarer Nähe zu den integrierten Schaltkreisen (ICs) platziert werden, wird dringend empfohlen, Kondensatoren mit dem niedrigstmöglichen Äquivalenten Serienwiderstand (ESR) zu wählen. Der ESR ist ein kritischer Parameter, da er direkt die Effizienz des Kondensators bei der Filterung von Hochfrequenzstörungen beeinflusst. Ein niedrigerer ESR verringert die Gesamtimpedanz zwischen dem Kondensator und den Stromanschlüssen der ICs, was eine effektivere Unterdrückung von Spannungsschwankungen und Störungen auf den Stromversorgungsleitungen ermöglicht. Zusätzlich neigen Kondensatoren mit niedrigerem ESR dazu, über einen breiteren Frequenzbereich eine bessere Leistung zu zeigen, was weiterhin zur Reduzierung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) beiträgt und die gesamte Stromintegrität des Designs verbessert.

Stromversorgungsebenen

Beim Entwurf einer mehrlagigen Leiterplatte (PCB) ist es sehr ratsam, ein Paar von Strom- und Rückleiterebenen, oft als „Masse“-Ebenen bezeichnet, nahe beieinander im Stapelaufbau zu positionieren. Das Platzieren dieser Ebenen in enger Nähe erhöht die verteilte Kapazität zwischen ihnen, was wiederum die Gesamtimpedanz des Stromverteilungsnetzwerks (PDN) verringert.

Die ideale Konfiguration besteht darin, die Signallagen neben der Rückführungsreferenzebene zu positionieren, die üblicherweise als „Signal Ground“ bezeichnet wird. Diese strategische Platzierung ermöglicht es dem Rückstrom, mit minimaler Schleifenfläche zu fließen, was dazu beiträgt, die von den Signalen erzeugten elektromagnetischen Felder zu begrenzen und somit elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu kontrollieren und Rauschen zu reduzieren. Diese Einrichtung verbessert die Signalintegrität erheblich, da sie Übersprechen und elektromagnetische Kopplung zwischen den Leiterbahnen minimiert und so eine höhere Signalqualität und zuverlässige Kommunikation über die PCB sicherstellt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Rückführungsreferenzebene sollte die Stromebene platziert werden. Dieses Layout stellt sicher, dass die Stromebene effektiv Energie an die integrierten Schaltkreise (ICs) liefern kann, ohne durch das Rauschen von schnell schaltenden Signalen gestört zu werden. Indem Sie die Stromebene von den Signallagen trennen und gleichzeitig in enger Nähe zur Rückführungsreferenzebene halten, können Sie die Kopplung von Rauschen mindern und eine stabile Umgebung für die Stromversorgung schaffen, was letztendlich zum effizienten Betrieb des gesamten Schaltkreises beiträgt. Diese Anordnung verbessert sowohl die Energieintegrität als auch die Signalintegrität und stellt somit eine grundlegende Entwurfspraxis für leistungsfähige Mehrlagen-PCBs dar.

Abbildung 4 - Beispiel eines optimierten 6-Lagen-Stackups mit Altium Designer^®

Die Verwendung von sowohl lokalisierten Kondensatoren, die nahe an den Stromanschlüssen der ICs platziert sind, als auch von eng beieinander liegenden Strom- und Masseebenen bietet eine vollständige Lösung. Diese Kombination verbessert das Power Delivery Network, reduziert elektromagnetische Interferenzen (EMI) und erhält eine bessere Signalqualität über das gesamte Board. Zusätzlich hilft dieser Ansatz, die Stromversorgung gleichmäßiger über die PCB zu verteilen und reduziert die Induktivität, die auftreten würde, wenn eine traditionelle Methode der Stromführung verwendet würde.

Durch die Kombination von gut platzierten Kondensatoren mit eng beieinander liegenden Strom- und Masseebenen schaffen Sie ein zuverlässigeres und effizienteres Stromverteilungssystem, das sicherstellt, dass Ihre PCB gut funktioniert und frei von Interferenzen bleibt.

In unserem nächsten Artikel werden wir uns mit dem Thema Crosstalk-Prävention beschäftigen. Wir werden Strategien zur Minimierung von Interferenzen zwischen Signalen erkunden und sicherstellen, dass Ihre PCB-Designs eine saubere, zuverlässigere Kommunikation bieten, mit einem besonderen Fokus auf die besten Praktiken zur EMI-Vermeidung. Sie können sicherstellen, dass Sie nichts verpassen, indem Sie Altiums Seiten und sozialen Medien folgen, sodass Sie mit wertvollen Einblicken und praktischen Tipps zur Verbesserung Ihrer Designs auf dem Laufenden bleiben.

Schlussfolgerung

Bei der Arbeit an fortschrittlichen PCB-Designs bietet Altium Designer^® einen umfassenden Satz an Werkzeugen, die den Prozess für PCB-Designer erheblich vereinfachen können und Ihnen helfen, ein effizientes Power Delivery Network (PDN) zu erstellen. Eine der Schlüsselfunktionen von Altium Designer^® ist der Layer Stackup Manager. Dieses Werkzeug hilft Ihnen, die optimale Stackup-Konfiguration für Ihre PCB basierend auf den spezifischen Bedürfnissen Ihres Systems auszuwählen.

Zusätzlich beinhaltet Altium Designer® leistungsstarke integrierte Werkzeuge, die es Ihnen ermöglichen, detaillierte Simulationen Ihres PDN durchzuführen. Diese Simulationen helfen Ihnen, Analysen durchzuführen und fundierte Entscheidungen darüber zu treffen, wie Sie Ihr Board-Design effektiv verbessern können.

Um Ihre PCB-Designprojekte auf ein höheres Niveau zu heben und diese fortschrittlichen Werkzeuge zu nutzen, ermutigen wir Sie, Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer^® und Altium 365^™ zu starten.

Dies gibt Ihnen die Möglichkeit, aus erster Hand zu erleben, wie dieses komplette CAD-Werkzeug Ihre Designfähigkeiten verbessern und zu effizienteren und effektiveren PCB-Designs führen kann.