Die Rolle von Entkopplung, Induktoren und Widerstand in einem PDN

Es könnte sinnvoll sein, eines dieser Bauteile Ihrem Entkopplungsnetzwerk hinzuzufügen

In einem vorherigen Artikel haben wir uns mit der Rolle von Entkopplungskondensatoren sowie dem Unterschied zwischen Entkopplung und Überbrückung beschäftigt. Ein Entkopplungskondensator, manchmal auch als HF-Entkopplungskondensator bezeichnet, erfüllt die gleichen Funktionen wie ein Überbrückungskondensator, bietet jedoch eine weitere wichtige Funktion, indem er Änderungen im Erdpotenzial kompensiert, wenn ein IC schaltet.

Es gibt einen weiteren wichtigen Punkt beim Entwerfen Ihres PDN, um die Leistungsintegrität zu gewährleisten. Dies ist die Rolle der Induktivität beim Entwerfen Ihres PDN. In Hochgeschwindigkeitsdesigns (was heutzutage jedes Design ist), ist der Entkopplungskreis im Allgemeinen rein kapazitiv, bis man bei ausreichend hohen Frequenzen ankommt. Jetzt gibt es die Induktivität, die eine große transiente Antwort im PDN erzeugen kann. Dies wirft zwei Fragen auf:

1. Da die Leistung in einem PDN aufgrund von Induktivität eine transiente Antwort zeigen kann, können wir sicherstellen, dass die Antwort kritisch gedämpft ist?
2. Wenn die Antwort auf #1 "Nein" lautet, können wir sicherstellen, dass die Spannungsstörung aufgrund des in das PDN gezogenen Stroms minimiert wird?

Die Antwort auf #1 ist "Ja", aber wie wir sehen werden, ist der Weg von #2 praktischer und stellt in der Branche den Standard dar. Wie wir sehen werden, gibt uns der Versuch von #1 die Möglichkeit, viel über echte Kondensatoren, Induktivität in einem PDN und was Entkopplung ist, zu lernen.

Was ist das Ziel eines PDN-Entkopplungsnetzwerks?

Ein Entkopplungsnetzwerk zu entwerfen, ist keine einfache Aufgabe. Bei Schaltungen mit niedrigerer Frequenz war die Verwendung eines RF-Entkopplungskondensators ausreichend für die Entkopplung. Die Eigenresonanzfrequenz vieler kleinerer Kondensatoren lag immer noch etwas höher als die Kniefrequenz für viele Logikfamilien, daher wäre es schwierig, einen Strombus während des Schaltens in Resonanz zu treiben. Darüber hinaus würden Entkopplungskondensatoren auch als Bypass-Kondensator fungieren, um potenzielle Änderungen zu kompensieren, wenn ICs schalteten.

Mit schnelleren Logikfamilien können die Kniefrequenzen nun mit der Eigenresonanzfrequenz des äquivalenten Schaltkreises zusammenfallen, der durch den Bypass-/Entkopplungskondensator, die Stromversorgungs-Entkopplungsleitung, alle benachbarten Bypass-/Entkopplungskondensatoren, Leiter, die Komponenten verbinden, und die Komponenten selbst gebildet wird. Dies schafft das Potenzial für ein Klingeln im Stromversorgungsbus bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen, wenn Logikgatter schalten. Bei wiederholtem Schalten würde dies eine angetriebene resonante Schwingung im Stromversorgungsbus mit hoher Amplitude verursachen. Genau wie im Fall von Ground Bounce, kann ein einzelner Schaltausgang an einem IC möglicherweise nicht viel bewirken, aber viele Komponenten, die gleichzeitig schalten, können ein signifikantes Klingeln im Stromversorgungsbus und große Änderungen im Spannungsniveau, das über den Stromversorgungspins eines ICs gesehen wird, erzeugen.

Aus diesem Grund wird Induktivität in einem PDN als schlecht angesehen: Sie erzeugt eine höhere Impedanz im gesamten Impedanzspektrum des PDN jenseits eines bestimmten Frequenzlimits. Eine hohe Breitbandimpedanz ist schlecht für Breitband-Digitalsignale, da diese Signale den transienten Strom in eine größere Spannung im gesamten Signalband umwandeln. Bei hohem Stromverbrauch kann das Klingeln in einem Strombus die Toleranzen für Kernspannungspegel in der Nähe einer der Resonanzfrequenzen im PDN überschreiten. Einige Richtlinien schlagen vor, eine Entkopplungsinduktivität, einen Kondensator und manchmal einen PCB-Widerstand hinzuzufügen, um das Klingeln innerhalb der Grenzen zu halten. Es lohnt sich, genau zu betrachten, wie Induktivität den Strombus und das Klingeln beeinflusst und wie ein "kritisch gedämpftes" PDN aussehen könnte.

Wie man PDN-Klingeln mit einem Entkopplungsnetzwerk unterdrückt

Wie im vorherigen Artikel besprochen, kann das äquivalente RLC-Modell für den RF-Entkopplungskondensator unterdämpft sein, und Sie können versuchen, diesen Schaltkreis so nah wie möglich an den kritisch gedämpften Fall zu bringen. Sie müssen jedoch den gesamten äquivalenten Schaltkreis für den Entkopplungskondensator und den Rest des Systems berücksichtigen.

Idealerweise möchten Sie das Klingeln auf einige Arten unterdrücken:

1. Dämpfen Sie die Antwort auf dem Stromversorgungsbus kritisch oder übermäßig. Dies ist ziemlich einfach, da es lediglich das Hinzufügen einiger passiver Bauelemente (PCB-Induktor, PCB-Widerstand und Kondensator) erfordert, um die Bedingungen für die Resonanz zu ändern.
2. Fügen Sie Komponenten hinzu, die die Resonanzfrequenz in einem beliebigen Teil des Entkopplungskreises auf Werte verschieben, die außerhalb des Leistungsspektrums für das Schaltsignal liegen. Der versierte Leser wird wahrscheinlich bemerken, dass dies nur eine Neuformulierung von Punkt #1 ist
3. Fügen Sie weitere Kondensatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen parallel hinzu, um das gesamte Impedanzspektrum des PDN zu glätten. Die sich überlappenden Bereiche mit niedriger Impedanz sollten sich kombinieren, um eine ausreichend niedrige Impedanz über die gesamte Signalbandbreite zu bieten.

#1 und #2 könnten für ein analoges PDN in Ordnung sein, da Sie sich nur darum kümmern sollten, was innerhalb einer sehr schmalen Bandbreite passiert. #3 ist wichtiger für digitale Komponenten, die eine breite Bandbreite haben.

Die Dämpfungsperspektive

Diese drei Methoden schließen sich gegenseitig etwas aus. Das Hinzufügen einer Entkopplungsdrossel in Serie zwischen dem HF-Entkopplungskondensator und einem IC wird die Impedanz erhöhen, die von allen hochfrequenten Signalen (einschließlich eines klingelnden Signals) gesehen wird, die sich in Richtung Last ausbreiten, aber es wird auch die Resonanzfrequenz verringern. Zusätzlich wird es die Dämpfungskonstante in einem größeren Maße verringern, da die Resonanzfrequenz nur umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Induktivität ist. Daher, wenn die Antwort vom Entkopplungskreis bereits überdämpft ist, kann das Hinzufügen einer Serien-PCB-Drossel zwischen dem Entkopplungskondensator und der Lastentkopplung die Antwort näher an die kritische Dämpfung bringen.

Wenn die Antwort, die auf der Stromschiene gesehen wird, bereits unterdämpft ist, dann müssen Sie die Dämpfungskonstante erhöhen und die Amplitude des Klingelns verringern. Eine einfache Methode ist die Verwendung eines Kondensators mit einem größeren äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Beachten Sie, dass Elektrolytkondensatoren dazu neigen, größere ESR-Werte zu haben. Die andere Option ist das Hinzufügen eines Entkopplungswiderstands und einer Entkopplungsdrossel vor dem relevanten IC, wie im unten gezeigten Schaltkreis:

Vollständiger Entkopplungskreis mit einem Bypass-Kondensator

Beachten Sie, dass L im obigen Modell der Induktivität des Leiters entspricht (z.B. Induktivität der Stromebene) die zur Last führt plus dem Wert der Entkopplungsinduktivität. Die Dämpfungskonstante im äquivalenten RLC-Netzwerk, das durch die Last, den Entkopplungskondensator, L und R gebildet wird, entspricht dem üblichen Wert für einen RLC-Serienkreis. Das Hinzufügen der Induktivität verringert die natürliche Resonanzfrequenz, während das Hinzufügen eines kleinen Widerstands R die Dämpfung im Schaltkreis erhöhen kann. Wenn R gleich dem kritischen Wert oben ist, dann kann die transiente Antwort in diesem Schaltkreis kritisch gedämpft sein.

PCB-Widerstände eignen sich hervorragend zur Dämpfung. Leider verliert man Leistung, daher ist ein Entkopplungswiderstand nur dann gut, wenn er einen niedrigen Wert hat, sodass er nicht zu viel Spannung abfallen lässt. Eine alternative Betrachtungsweise der Dämpfung würde den PCB-Widerstand herausnehmen und nur die Entkopplungs-/Bypass-Kapazität mit jeglicher Induktivität zwischen diesen und der Last betrachten.

Ein alternatives Entkopplungsnetzwerk

Das oben gezeigte Netzwerk wird den Gleichspannungsabfall im gesamten PDN erhöhen, daher gibt es ein alternatives Entkopplungsnetzwerk, das eine kritische Dämpfung anstrebt:

Alternatives Entkopplungsnetzwerk mit einem Bypass-Kondensator

Diese Gleichungen zeigen Ihnen, welche Grenzen für die Bypass- und Entkopplungskapazitäten bei gegebenen ESR-, ESL- und L-Werten bestehen, die Ihnen eine kritische Dämpfung liefern. Beachten Sie, dass L nicht notwendigerweise eine reale Induktivität sein muss; wir könnten die Induktivität der Stromschiene betrachten, obwohl in einem solchen Fall R gegen Null gehen würde und ESR unter einem bestimmten Wert kontrolliert würde.

In diesem Entkopplungskreis ist der kritische Widerstand derselbe wie im früheren Netzwerk dargestellt. Es gibt jedoch auch eine Einschränkung bei den Werten der Entkopplungs- und Bypass-Kondensatoren (oben gezeigt). Eine Erhöhung des Dämpfungswiderstands zwischen den oben gezeigten Grenzen wird dazu führen, dass die Antwort in das überdämpfte Regime übergeht, wodurch die Gesamtantwort vom RF-Entkopplungskondensator verlangsamt wird.

Die Rolle der PDN-Impedanz

Es ist wichtig, sich an die Rolle der Induktivität in jedem PDN zu erinnern, egal ob es sich um ein parasitäres Element handelt oder absichtlich platziert wurde. Die Sichtweise der Schaltung besagt, dass ein Bypass-Kondensator, der zwischen den Strom- und Masseanschlüssen an der Last platziert wird, einen niederimpedanten Pfad zur Masse für hohe Frequenzen bietet, was im Grunde die Gesamtimpedanz des PDN unterhalb der Eigenresonanzfrequenz des Kondensators senkt und das PDN wie ein Tiefpassfilter erscheinen lässt. Induktivität ist kontraproduktiv und führt letztendlich dazu, dass die Impedanz rein induktiv wird.

Dies sollte den Punkt der Platzierung von HF-Entkopplungskondensatoren am PDN zusammen mit Bypass-Kondensatoren in der Nähe großer ICs veranschaulichen. Die Entkopplungskondensatoren bieten eine Reihe von niederimpedanten Elementen parallel, um eine insgesamt niedrige Impedanz im PDN zu schaffen.

Beim Entwerfen eines PDN für Ihre Leiterplatte benötigen Sie die Layout- und Simulationswerkzeuge in Altium Designer, um sicherzustellen, dass Ihre Platine frei von Problemen mit der Strom- und Signalintegrität ist. Die Verwendung von Schaltungssimulationen wird Ihnen helfen, Ihre Komponentenauswahl und das Layout zu qualifizieren, sowie Ihnen ermöglichen, das elektrische Verhalten im PDN während eines transienten Ereignisses zu visualisieren.

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