El papel de un desacoplamiento, inductores y resistencia en una PDN

Quizás quieras agregar uno de estos componentes a tu red de desacoplamiento

En un artículo anterior, examinamos el papel de los condensadores de desacoplamiento, así como la diferencia entre desacoplamiento y derivación. Un condensador de desacoplamiento, a veces llamado condensador de desacoplamiento RF, proporciona las mismas funciones que un condensador de derivación, pero también ofrece otra función importante en el sentido de que compensa los cambios en el potencial de tierra como un interruptor de CI.

Hay otro punto importante involucrado en el diseño de tu PDN para asegurar la integridad de la energía. Este es el papel de la inductancia al diseñar tu PDN. En diseños de alta velocidad (que es cada diseño hoy en día), el circuito de desacoplamiento es generalmente puramente capacitivo, hasta que comienzas a mirar frecuencias suficientemente altas. Ahora hay la inductancia que puede producir una gran respuesta transitoria en el PDN. Esto plantea dos preguntas:

1. Dado que la energía en un PDN puede exhibir alguna respuesta transitoria con inductancia, ¿podemos asegurarnos de que la respuesta esté críticamente amortiguada?
2. Si la respuesta a #1 es "No", ¿podemos asegurar que la perturbación de voltaje debido a la corriente introducida en el PDN sea minimizada?

La respuesta a la #1 es "Sí", pero como veremos, tomar la ruta de la #2 es más práctico y es una práctica estándar en la industria. Como veremos, intentar la #1 nos da la oportunidad de aprender mucho sobre los capacitores reales, la inductancia en un PDN y qué es el desacoplamiento.

¿Cuál es el objetivo de una red de desacoplamiento de PDN?

Diseñar una red de desacoplamiento no es una tarea sencilla. Con circuitos de baja frecuencia, usar un capacitor de desacoplamiento RF era suficiente para el desacoplamiento. La frecuencia de resonancia propia de muchos capacitores pequeños todavía era algo más alta que la frecuencia de rodilla para muchas familias lógicas, por lo tanto, sería difícil llevar un bus de potencia a la resonancia durante el conmutación. Además, los capacitores de desacoplamiento también actuarían como un capacitor de derivación para compensar los cambios potenciales a medida que los ICs conmutaban.

Con familias de lógica más rápidas, las frecuencias de codo ahora pueden coincidir con la frecuencia de resonancia propia del circuito equivalente formado por el condensador de derivación/desacoplamiento, el bus de desacoplamiento de la fuente de alimentación, cualquier condensador de derivación/desacoplamiento cercano, conductores que conectan componentes y los propios componentes. Esto crea el potencial para el sonido en el bus de alimentación con circuitos de alta velocidad a medida que los gates lógicos se conmutan. Bajo conmutación repetida, esto causaría una oscilación resonante impulsada en el bus de alimentación con alta amplitud. Al igual que ocurría con el rebote de tierra, una única salida de conmutación en un CI puede no tener mucho efecto, pero muchos componentes conmutando simultáneamente pueden producir un sonido significativo en el bus de alimentación y grandes cambios en el nivel de voltaje visto a través de los pines de alimentación de un CI.

Por esta razón, la inductancia en un PDN se considera algo negativo: crea una impedancia más alta en todo el espectro de impedancia del PDN más allá de un límite de frecuencia particular. Una alta impedancia de banda ancha es mala para las señales digitales de banda ancha, ya que estas señales transformarán la corriente transitoria en un voltaje mayor a lo largo del ancho de banda de la señal. Con un alto consumo de corriente, el resonar en un bus de potencia puede exceder las tolerancias en los niveles de voltaje del núcleo cerca de una de las frecuencias de resonancia en el PDN. Algunas pautas sugieren agregar un inductor de desacoplamiento, un capacitor y, a veces, una resistencia de PCB para mantener el resonar dentro de los límites. Vale la pena examinar exactamente cómo la inductancia afecta al bus de potencia y al resonar, y cómo podría verse un PDN "críticamente amortiguado".

Cómo suprimir el resonar en un PDN con una red de desacoplamiento

Como se discutió en el artículo anterior, el modelo RLC equivalente para el capacitor de desacoplamiento RF puede estar subamortiguado, y puedes intentar acercar este circuito tanto como sea posible al caso críticamente amortiguado. Sin embargo, necesitarás considerar todo el circuito equivalente para el capacitor de desacoplamiento y el resto del sistema.

Idealmente, querrás suprimir el resonar de algunas maneras:

1. Amortiguar críticamente o sobreamortiguar la respuesta en el bus de potencia. Esto es bastante simple ya que requiere agregar algunos pasivos (inductor de PCB, resistor de PCB y capacitor) para modificar las condiciones de resonancia.
2. Agregue componentes que desplacen la frecuencia de resonancia en cualquier parte del circuito de desacoplamiento a valores que estén fuera del espectro de potencia para la señal de conmutación. El lector astuto probablemente notará que esto es simplemente una reformulación del punto #1
3. Agregue más capacitores con diferentes frecuencias resonantes en paralelo para intentar suavizar todo el espectro de impedancia de la PDN. Las partes de baja impedancia superpuestas deberían combinarse para dar una impedancia suficientemente baja a lo largo del ancho de banda de la señal.

#1 y #2 podrían estar bien para una PDN analógica ya que solo debería importar lo que sucede dentro de un ancho de banda muy estrecho. #3 es más importante para componentes digitales, que tienen un ancho de banda amplio.

La Perspectiva del Amortiguamiento

Estos tres métodos son algo mutuamente excluyentes. Agregar un inductor de desacoplamiento en serie entre el capacitor de desacoplamiento RF y un IC aumentará la impedancia vista por cualquier señal de alta frecuencia (incluida una señal de resonancia) que se propague hacia la carga, pero también disminuirá la frecuencia de resonancia. Además, disminuirá la constante de amortiguamiento en un nivel mayor ya que la frecuencia de resonancia es solo inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la inductancia. Por lo tanto, si la respuesta del circuito de desacoplamiento ya está sobreamortiguada, agregar un inductor de PCB en serie entre el capacitor de desacoplamiento y el desacoplamiento de la carga puede acercar la respuesta al amortiguamiento crítico.

Si la respuesta observada en el riel de potencia ya está subamortiguada, entonces necesitas aumentar la constante de amortiguamiento y disminuir la amplitud del anillo. Una forma simple es usar un capacitor con una resistencia en serie equivalente (ESR) mayor. Note que los capacitores electrolíticos tienden a tener valores de ESR mayores. La otra opción es agregar un resistor de desacoplamiento e inductor de desacoplamiento antes del IC relevante, como se muestra en el circuito a continuación:

Circuito completo de desacoplamiento con un capacitor de bypass

Tenga en cuenta que L en el modelo anterior es igual a la inductancia del conductor (por ejemplo, inductancia del plano de potencia) que conduce a la carga más el valor del inductor de desacoplamiento. La constante de amortiguamiento en la red RLC equivalente formada por la carga, el condensador de desacoplamiento, L y R es igual al valor usual para un circuito en serie RLC. Agregar el inductor disminuye la frecuencia de resonancia natural mientras que agregar una pequeña resistencia R puede aumentar el amortiguamiento en el circuito. Cuando R es igual al valor crítico mostrado arriba, entonces la respuesta transitoria en este circuito puede ser críticamente amortiguada.

Las resistencias de PCB son excelentes para agregar amortiguamiento. Desafortunadamente, se pierde potencia, por lo que una resistencia de desacoplamiento solo es buena cuando tiene un valor bajo para que no caiga demasiado voltaje. Una forma alternativa de ver el amortiguamiento sería quitar la resistencia de PCB y considerar solo la capacitancia de desacoplamiento/bypass con cualquier inductancia entre estas y la carga.

Una Red de Desacoplamiento Alternativa

La red mostrada arriba aumentará la caída de voltaje de CC a lo largo de la PDN, por lo tanto, hay una red de desacoplamiento alternativa que se acerca al amortiguamiento crítico:

Red de desacoplamiento alternativa con un condensador de bypass

Estas ecuaciones te indican cuáles son los límites en las capacitancias de derivación y desacoplamiento para un ESR, ESL y valores de L dados, lo que te dará un amortiguamiento crítico. Ten en cuenta que L no necesariamente tiene que ser un inductor real; podríamos estar observando la inductancia del riel de potencia, aunque en tal caso tendríamos a R acercándose a cero y ESR controlado por debajo de un cierto valor.

En este circuito de desacoplamiento, la resistencia crítica es la misma que la mostrada en la red anterior. Sin embargo, también hay una restricción en los valores de los capacitores de desacoplamiento y derivación (mostrados arriba). Aumentar la resistencia de amortiguamiento entre los límites mostrados arriba causará que la respuesta se mueva hacia el régimen sobreamortiguado, ralentizando así la respuesta general del capacitor de desacoplamiento RF.

El Papel de la Impedancia PDN

Es importante recordar el papel de la inductancia en cualquier PDN, ya sea un elemento parásito o colocado intencionalmente. La perspectiva del circuito indica que un capacitor de derivación colocado entre los pines de alimentación y tierra en la carga proporcionará un camino de baja impedancia a tierra para las altas frecuencias, básicamente reduciendo la impedancia total del PDN por debajo de la frecuencia de auto-resonancia del capacitor y haciendo que el PDN parezca un filtro de paso bajo. La inductancia es contraproducente y eventualmente convierte la impedancia puramente en inductiva.

Esto debería ilustrar el punto de colocar capacitores de desacoplamiento RF en el PDN junto con capacitores de derivación cerca de ICs grandes. Los capacitores de desacoplamiento proporcionan un conjunto de elementos de baja impedancia en paralelo, para crear una impedancia total baja en el PDN.

Al diseñar un PDN para su PCB, necesitará las herramientas de diseño y simulación en Altium Designer para asegurar que su placa esté libre de problemas de integridad de potencia e integridad de señal. Usar simulaciones de circuito le ayudará a calificar su selección de componentes y diseño, así como permitirle visualizar el comportamiento eléctrico en el PDN durante un evento transitorio.

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