Wie man die parasitäre Kapazität in einem PCB-Layout reduziert

Störungen in einem elektronischen System treten in vielen Formen auf. Ob sie von einer externen Quelle empfangen werden oder zwischen verschiedenen Bereichen eines PCB-Layouts übertragen werden, Störungen können unbeabsichtigt auf zwei Arten empfangen werden: parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität. Parasitäre Induktivität ist ziemlich einfach zu verstehen und zu diagnostizieren, sowohl aus der Perspektive des Übersprechens als auch aus der Kopplung von anscheinend zufälligem Rauschen zwischen verschiedenen Abschnitten einer Platine.

Parasitäre Kapazität ist nicht unbedingt schwieriger zu behandeln, aber es erfordert ein Verständnis dafür, wie die Geometrie des PCB-Layouts die gegenseitige Kapazität beeinflussen wird. In Systemen, die mit hohen Frequenzen arbeiten oder in denen hohe dV/dt-Knoten kapazitive Rauschkopplungen erzeugen können, können einige einfache PCB-Layout-Entscheidungen helfen, Parasiten zu reduzieren. In diesem Artikel werde ich allgemein beschreiben, wie man parasitäre Kapazität reduzieren kann und einige Beispiele im Hochfrequenz-Routing sowie in einem Schaltwandler geben.

Parasitäre Kapazität identifizieren und reduzieren

Obwohl es keine einzelne Formel für parasitäre Kapazität gibt, hat sie eine allgemeine Definition:

• Parasitäre Kapazität ist die unbeabsichtigte (und im Allgemeinen unerwünschte) Kapazität, die zwischen zwei leitenden Strukturen besteht, die durch einen Isolator getrennt sind.

Manchmal ist diese unbeabsichtigte Kapazität tatsächlich von Vorteil, und in solchen Fällen verwenden wir den Begriff „parasitär“ nicht zur Beschreibung. Nehmen wir zum Beispiel ein Strom-Masse-Ebenenpaar; diese einfache Struktur hilft, ein großes Ladungsreservoir bereitzustellen, um Hochgeschwindigkeitskomponenten mit hoher I/O-Anzahl aufgrund ihrer inhärenten Kapazität zu unterstützen. Ein weiteres Beispiel wäre in einer koplanaren Wellenleitung, wo man im Grunde die parasitäre Kapazität nutzt, um die Impedanz der Verbindung auf einen erforderlichen Wert einzustellen.

Auf einer PCB kann parasitäre Kapazität im Grunde überall auftreten. Schauen Sie sich das untenstehende Layout an; ich habe einige Bereiche hervorgehoben, in denen die parasitäre Kapazität prominent ist. Dies zeigt nur die auf der obersten Schicht erzeugte Kapazität, aber es könnte auf jeder Schicht Kapazität geben.

Wie die obige Definition nahelegt, entsteht parasitäre Kapazität zwischen jedem Paar von Leitern, die durch ein Dielektrikum getrennt sind, und wir können schnell mehrere Bereiche identifizieren, in denen parasitäre Kapazität im obigen Beispiel auftritt. Wann immer Sie parasitäre Kapazität in einem PCB-Layout haben, kann sie auf zwei Arten entstehen:

• Als Eigenkapazität, die als hohe unerwünschte Kapazität zwischen einem Leiter und einem anderen Leiter (normalerweise GND) erscheint.
• Als gegenseitige Kapazität zwischen zwei leitfähigen Strukturen, die jeweils auf eine dritte leitfähige Struktur bezogen sind; dies ist effektiv die Form der Kapazität, die die kapazitive Kopplung zwischen zwei Leiterbahnen verursacht.

Warum ist hohe parasitäre Kapazität wichtig? Es ist wichtig, weil immer dann, wenn sich das Potenzial zwischen zwei kapazitiv gekoppelten Leitern ändert, dies einen gewissen Verschiebungsstromfluss auf jedem Leiter verursacht. Dies ist eine Form von Übersprechen, mit der Designer vertraut sein sollten. Typischerweise, wenn ein Schaltsignal sein Signal auf eine betroffene Leiterbahn induziert, nennen wir es Übersprechen, aber der gleiche Mechanismus kann Rauschen auf jeder anderen Struktur induzieren, wenn es eine gewisse parasitäre Kapazität gibt.

Obwohl man es nie vollständig eliminieren kann, gibt es einige Fälle, in denen es vorteilhaft ist, zu versuchen, es zu reduzieren. Um einige Strategien zur Reduzierung der parasitären Kapazität zu sehen, hilft es, sich einige Beispiele anzusehen.

Beispiel: Hoch dV/dt-Knoten in einem Schaltregler

Der Beispielabschnitt eines Reglers unten veranschaulicht, wo sich ein Knoten mit starker dV/dt-Änderung befinden würde, sowie warum dieses Layout eine größere Kopplung in seine Rückkopplungsschleife haben wird, anstatt zu anderen nahen Teilen des Systems. In einem Schaltregler erscheint der dV/dt-Knoten am Ausgang der Schaltstufe, aber vor der Gleichrichtungs-/Filterstufe. Im untenstehenden Beispiel ist der SW_OUT-Knoten unser Knoten mit hoher dV/dt-Änderung, der durch ein PWM-Signal gesteuert wird.

Dieser Knoten hat einige parasitäre Kapazitäten zur nahen Erdungsregion. Wenn es einige andere Komponenten oder Schaltkreise in der Nähe gäbe, würde die parasitäre Kapazität zu diesen Schaltkreisen dazu führen, dass Schaltrauschen in diesen Schaltkreisen erscheint. Die nahe Erde ist etwas hilfreich, aber das eigentliche Mittel, das die Kopplung von Rauschen verhindert, ist der Kondensator, der von SW_OUT zurück zum Reglerchip verbunden ist. Dieser große Kondensator bietet einen niederimpedanten Pfad für das hochfrequente Schaltrauschen zurück zur Hochseite der Schaltstufe, was effektiv die Ausgabe der Schaltstufe von GND entkoppelt.

Die andere Strategie, die hilft, die parasitäre Kapazität zwischen SW_OUT und einer benachbarten Spur oder Schaltung zu reduzieren, besteht darin, die GND-Ebene auf der nächsten Schicht zu nutzen. Das Näherbringen der GND-Ebene an den Knoten mit hohem dV/dt reduziert die gegenseitige Kapazität, indem es eine stärkere Kopplung des elektrischen Feldes an GND im Vergleich zur Kopplung an irgendeinen anderen Knoten im PCB-Layout erzeugt. Mit anderen Worten, Sie würden eine dünnere Dielektrikumsschicht zwischen L1 und L2 in diesem Board bevorzugen.

Beispiel: Gegenseitige Kapazität zwischen zwei Spuren

Kapazitive Übersprechen ist eine von zwei Arten der Kopplung (die andere ist induktiv) zwischen Spuren, wobei ein Signal auf einer Spur Rauschen auf einer anderen Spur erzeugen kann. Bei zunehmend höheren Frequenzen wird dies durch die gegenseitige Kapazität dominiert. In einem PCB-Layout, unter der Annahme, dass Sie über eine GND-Region geroutet haben, wie es die beste Praxis ist, haben Sie im Grunde zwei Optionen, um diese Art von parasitärer Kapazität zu reduzieren:

• Bringen Sie die Masse näher an die Leiterbahnen, während Sie die Leiterbahnen schmaler machen (festgelegtes Impedanzziel)
• Erhöhen Sie den Abstand zwischen den Leiterbahnen

Fast jede Empfehlung, die Sie zum Reduzieren von Übersprechen finden werden, empfiehlt Option #2, aber Option #1 ist tatsächlich genauso effektiv. Dies liegt daran, dass es die Bildladung/-strom in der GND-Ebene näher an die Leiterbahn bringt. Was Sie nicht tun sollten, ist etwas wie eine kurzgeschlossene Schutzleiterbahn zu versuchen, da dies unerwünschte parasitäre Kapazität zu GND erzeugt und in bestimmten Konfigurationen das Übersprechen tatsächlich erhöhen kann.

Zusammenfassung

Für die selbstkapazitive Form der parasitären Kapazität müssen Sie die Leiter trennen oder die Leiter kleiner machen. Für die gegenseitig-kapazitive Form der parasitären Kapazität müssen Sie die Kopplung reduzieren, indem Sie die Eigenkapazitäten weit über die gegenseitige Kapazität hinaus erhöhen. Im obigen Beispiel haben wir gesehen, dass einfach das Näherbringen der Masseebene an unsere gegenseitig-kapazitiven Leiterbahnen ihre gegenseitige Kapazität stark reduziert, ohne andere Änderungen an den Leitern im PCB-Layout vorzunehmen.

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