Wann ist die Platzierung von Entkopplungskondensatoren auf einer PCB entscheidend?

Die Platzierung von Entkopplungskondensatoren gehört zu den PCB-Layout-Themen, bei denen eine einfache Regel weit über die Bedingungen hinaus wiederholt wird, unter denen sie tatsächlich nützlich ist. Die Standardanweisung ist bekannt: Platzieren Sie den Kondensator so nah wie möglich am Versorgungspin. Designer hören das in Datenblättern, Application Notes, Layout-Checklisten und KI-generierten Diagrammen, die Kondensatoren um jede IC herum wie einen dekorativen Rahmen anordnen. Das Problem ist, dass dieser Rat mehrere unterschiedliche PDN-Strukturen auf eine einzige Regel reduziert, und diese Strukturen verhalten sich nicht gleich.

Sobald der induktive Pfad zwischen dem Kondensator und der Last definiert ist, wird die Platzierungsentscheidung deutlich einfacher. Auf manchen Leiterplatten erhöht schon ein nur geringfügig größerer Abstand eines Kondensators die Pfadinduktivität so stark, dass das Bauteil weniger wirksam wird. Auf anderen Leiterplatten, insbesondere bei Multilayer-Designs mit eng beieinanderliegenden Power- und Ground-Planes, kann die exakte Position des Kondensators deutlich weniger kritisch sein, weil die Planes den niederinduktiven Strompfad bereitstellen.

Hintergrund zur Platzierung von Entkopplungskondensatoren

Ein Teil der „Mythenbusting“-Aktivitäten rund um die Platzierung von Entkopplungskondensatoren geht auf Dr. Todd Hubings IEEE-Paper über mehrlagige PCBs mit internen Versorgungs- und Masseflächen zurück. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob vertraute Platzierungsregeln von einseitigen und zweiseitigen Leiterplatten weiterhin gelten, sobald eine Leiterplatte ein niederinduktives Flächenpaar verwendet. Das zentrale Ergebnis ist genau das, das bis heute Diskussionen auslöst: Wenn Entkopplungskondensatoren an eng beieinanderliegende Flächen (<10 mil) angeschlossen sind, kann die gemessene Impedanz des Power-Bus nur sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber dem Platzierungsort des Kondensators zeigen, sofern der Kondensator nicht übermäßig weit von der Last entfernt platziert wird.

Dieses Ergebnis ist nützlich, lässt sich aber auch leicht zu stark verallgemeinern. Hubings Schlussfolgerung war nicht, dass die Position des Kondensators niemals eine Rolle spielt. Der Punkt war vielmehr, dass eng beieinanderliegende Flächenpaare die dominante Induktivität im Strompfad verändern, wodurch sich ändert, wie stark die Position des Kondensators die PDN-Impedanz beeinflusst. Das ist eine ganz andere Aussage als zu behaupten, jede Leiterplatte könne die Platzierung von Kondensatoren ignorieren.

Lesen Sie Dr. Hubings Paper hier:

• Hubing, Todd H., James L. Drewniak, Thomas P. Van Doren und David M. Hockanson. "Power bus decoupling on multilayer printed circuit boards." IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 37, Nr. 2 (2002): 155–166.

Grafik aus Hubing et al., die überlappende Impedanzkurven für Kondensatoren zeigt, die an mehreren Positionen auf einer Multilayer-Leiterplatte mit eng beieinanderliegenden Power- und Ground-Planes platziert wurden.

Das Bauteilgehäuse bestimmt, ob die Platzierung wichtig ist

Die Aussage, dass die Position des Kondensators „keine Rolle spielt“, ist eine Überverallgemeinerung; die Position des Kondensators ist je nach Gehäuse, PCB-Stackup und Art der Anbindung des Kondensators an das PDN unterschiedlich relevant.

Betrachten Sie ein bedrahtetes Gehäuse im Vergleich zu einem BGA. Bei einem Quad Flat Pack oder einem ähnlichen Bauteil liegen die Versorgungspins am Gehäuserand frei, und ein nahe platzierter Kondensator kann oft mit kurzen Leiterbahnen direkt an diese Pins angeschlossen werden. In dieser Konfiguration wird die Verbindung zwischen Kondensator und Last Teil der Impedanz des Versorgungspfads.

QFN-/QFP- oder ähnliche Gehäuse haben Anschlüsse, die um den Rand des Bauteils frei zugänglich sind, was eine direkte Verbindung mit Leiterbahnen ermöglicht. Beachten Sie die Verbindung am GVDD-Netz, wo die Leiterbahnverbindung verwendet wird und eine hohe Pfadinduktivität pro Längeneinheit aufweist.

Diese Anordnung minimiert die Pfadinduktivität, weil die Stromschleife kompakt bleibt und der Beitrag der Leiterbahn klein bleibt. Bei diesen Gehäusen ist die übliche Platzierungsempfehlung in der Praxis sinnvoll, weil die Pin-Anordnung genau für diesen Verbindungsstil ausgelegt wurde. Beachten Sie, dass Sie bei diesen Gehäusen auch eine Power-Plane verwenden könnten, die Plane aber im Allgemeinen nicht allein für bedrahtete Gehäuse erforderlich ist.

Große BGAs haben typischerweise mehrere innenliegende Power- und Ground-Balls, die im inneren Bereich des Gehäuses gruppiert sind. Niemand wird einzelne Leiterbahnen von Kondensatoren, die außerhalb des Gehäuses sitzen, in die Mitte des Bauteils routen. Wenn Sie die Kondensatoren nicht auf der Rückseite des BGA platzieren, werden Sie auf Power- und Ground-Planes sowie Vias in diese Planes angewiesen sein.

Bei großen BGAs befinden sich im Inneren des BGA viele der PWR- und GND-Pins, gruppiert nahe der Mitte. Pinke Pins = PWR, blaue Pins = GND. Das obige Beispiel zeigt einen i.MX-Prozessor.

Bei großen BGAs ist dieselbe direkte Anbindung mit Leiterbahnen unmöglich, weil die Power- und Ground-Pins zahlreich sind und unter dem Gehäusekörper verborgen liegen. Daher benötigen Sie bei diesem Gehäuse Plane-Verbindungen in inneren Lagen, um die Pins nahe der Gehäusemitte zu erreichen. Die Frage ist dann, ob ein geringer Abstand zwischen Power- und Ground-Plane verwendet werden sollte, da dies die Pfadinduktivität beeinflusst.

Pfadinduktivität

Um zu bestimmen, ob die Platzierungsposition relevant ist, müssen wir die Gesamtinduktivität entlang des Pfads kennen. Diese gesamte Pfadinduktivität setzt sich aus der ESL des Kondensators selbst, der Montageinduktivität der Pads und Vias sowie der Leitungsinduktivität zwischen Kondensator und den Pins des Bauteils zusammen.

Wir können die Pfadinduktivität wie folgt schreiben:

L(Pfad) = ESL + L(Montage) + L(Leiterbahn oder Plane)

Eine nützliche Größenordnungsabschätzung für die Leiterbahninduktivität liegt bei etwa 5 bis 7 nH/Zoll, mit ungefähr 7,5 nH/Zoll für eine 50-Ohm-Leiterbahn auf einem typischen Laminatsystem mit Dk = 4. Das sind groß genug Werte, dass selbst eine moderate Leitungslänge relevant wird. Wenn der Kondensator bereits rund 3 bis 3,5 nH Montageinduktivität beiträgt, dann kann eine merkliche Leiterbahnlänge die gesamte zwischen Kondensator und Last wirksame Induktivität schnell verdoppeln oder verdreifachen.

Was ist mit Planes? Ein Flächenpaar hat Spreading-Induktivität, die üblicherweise als Induktivität „pro square“ angegeben wird. Das ist eine nützliche Betrachtungsweise für das Flächenpaar, weil die Gesamtinduktivität vom Verhältnis Länge zu Breite des Stromausbreitungsbereichs und vom Abstand zwischen den Flächen abhängt. Bei eng beieinanderliegenden Flächen können typische Werte in der Größenordnung von 100 pH/square liegen.

Strompfad zwischen einem Entkopplungskondensator und einer IC in einem BGA-Gehäuse. Die Induktivität entlang dieses Pfads wird als Spreading-Induktivität bezeichnet.

Einige Werte für die Spreading-Induktivität von Flächen und die Flächenkapazität (typisches FR4-Dk) werden von AMD in der folgenden Tabelle angegeben. Beachten Sie, dass der Wert von 130 pH/square bei einem Flächenabstand von 4 mil sehr nahe am Faustregelwert liegt, den Bogatin angibt (32 pH/square/mil bzw. 128 pH/square bei einem 4 mil dicken Dielektrikum).

Wenn wir die Spreading-Induktivität kurz beiseitelassen, müssen Sie bei großen BGAs generell Planes verwenden, weil dies die effizienteste Möglichkeit ist, auf die große Anzahl von Power- und Ground-Pins im Inneren des Gehäuses zuzugreifen. Mindestens benötigen Sie große Kupferflächen, die Planes stark ähneln. Beide Optionen bieten eine deutlich geringere Induktivität als eine Leiterbahnverbindung, wie wir unten sehen werden.

Beispiel: Plane-Verbindung vs. Leiterbahnverbindung

Damit haben wir zwei Situationen zum Vergleich: Leiterbahn-Routing zu den PWR-/GND-Pins eines bedrahteten Bauteils gegenüber Plane-Routing zu einem BGA. Sobald der Kondensator an ein eng beieinanderliegendes Power- und Ground-Plane-Paar angebunden ist, verändert sich das Platzierungsproblem, weil die Planes den Strom zwischen Kondensator und Bauteil transportieren. In diesem Fall ist die dominante verteilte Induktivität nicht mehr eine lange geroutete Leiterbahn, sondern die Spreading-Induktivität im Flächenpaar.

In dieser Größenordnung kann sogar ein recht großer Bereich der Leiterplatte weniger Induktivität beitragen als eine deutlich kürzere Leiterbahnführung. Ein einfacher Vergleich macht das deutlich. Angenommen, ein Kondensator befindet sich 5 Zoll von der Last entfernt:

• Wenn diese Verbindung mit einer breiten Leiterbahn mit nur 5 nH/Zoll hergestellt wird, beträgt allein die Leitungsinduktivität 25 nH
• Zusammen mit ungefähr 3 nH Montageinduktivität ergibt das insgesamt etwa 28 nH

Nehmen wir nun denselben Abstand von 5 Zoll an und setzen voraus, dass der Strom durch einen 5 Zoll × 2 Zoll großen Power-Ground-Plane-Bereich fließt, also 2,5 squares:

• Bei 100 pH/square beträgt die Spreading-Induktivität etwa 250 pH bzw. 0,25 nH
• Addiert man dieselben 3 nH Montageinduktivität, ergibt sich insgesamt etwa 3,25 nH

Der physische Abstand ist in beiden Fällen identisch, aber die Art der Verbindung verändert die Gesamtinduktivität um nahezu eine Größenordnung.

Das ist der Kontext hinter dem nicht ganz so bekannten Ergebnis aus Hubings Arbeit. Wenn ein Kondensator etwa 3 nH Montageinduktivität hat und der Plane-Pfad nur einen Bruchteil eines Nanohenry hinzufügt, dann verändert ein Verschieben des Kondensators auf der Leiterplatte die gesamte Pfadinduktivität möglicherweise nicht wesentlich. Unter diesen Bedingungen ist die exakte Position des Kondensators weniger kritisch, als viele Application Notes oder Richtlinien vermuten lassen.

Platzierungsrichtlinien hängen von der Verbindungsmethode ab

Zusammengefasst ist die beste Position für einen Entkopplungskondensator diejenige, die die Induktivität minimiert (Pfad + Montage). Die Montageinduktivität (ESL + Pads/Vias) ist unabhängig vom Ort, während die Pfadinduktivität stark vom Ort abhängen kann. Aus der obigen Diskussion über Leiterbahninduktivität gegenüber Spreading-Induktivität sollte klar werden, dass die Leiterbahnlänge die Induktivität in viel stärkerem Maße erhöht als das Routing mit Planes oder großen Stromschienen.

Bei Multilayer-Leiterplatten mit eng gekoppelten Power- und Ground-Planes kann eine geringe Spreading-Induktivität die Position des Kondensators deutlich weniger kritisch machen, insbesondere unter BGAs, bei denen der Zugriff über Planes die natürliche Implementierung ist. Bei QFNs, QFPs und ähnlichen bedrahteten Gehäusen kann der Designer den Kondensator oft mit kurzen Leiterbahnen direkt zwischen benachbarten VDD- und VSS-Pins anschließen.

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Häufig gestellte Fragen

Muss die Platzierung von Entkopplungskondensatoren immer so nah wie möglich am Versorgungsanschluss erfolgen?

Nein, aber das hängt vom Bauteilgehäuse ab. Diese Regel ist in einigen Layouts nützlich, gilt jedoch nicht in gleicher Weise für jede PDN-Struktur. Entscheidend ist der induktive Pfad zwischen dem Kondensator und der Last.

Warum benötigen BGAs für Entkopplungskondensatoren in der Regel Verbindungen zu Versorgungsebenen?

Das liegt daran, dass die Stromversorgungs- und Massepins unter dem Gehäuse verborgen sind, häufig nahe der Mitte des Gehäuses. Direkte Leiterbahnverbindungen von nahegelegenen Kondensatoren zu diesen Pins sind nicht möglich, daher werden Ebenen und Vias zur üblichen Verbindungsmethode. Die andere Methode besteht darin, Entkopplungskondensatoren auf der Rückseite des BGA-Bereichs zu platzieren und sie mit Via-in-Pad an die Pins anzubinden.

Was ist Pfadinduktivität bei der Verbindung eines Entkopplungskondensators?

Die Pfadinduktivität ist die gesamte Induktivität zwischen dem Kondensator und der Last. Im Artikel wird sie als ESL des Kondensators plus Montageinduktivität plus Leitungsinduktivität aus Leiterbahnen oder Ebenen definiert.

Wie beeinflussen eng beieinanderliegende Ebenen die PDN-Impedanz?

Eng beieinanderliegende Versorgungs- und Masseebenen verringern die Ausbreitungsinduktivität, sodass der Ort des Kondensators deutlich weniger kritisch werden kann. Eng beieinanderliegende Versorgungs- und Masseebenen bilden außerdem einen wirksamen Kondensator mit geringer Induktivität, der große ICs bei hohen Frequenzen mit Leistung versorgen kann.