Directives de placement des condensateurs de découplage et de contournement

Les problèmes d'intégrité de puissance sont normalement envisagés du point de vue de l'alimentation électrique, mais il est tout aussi important de considérer la sortie des circuits intégrés (CI). Les condensateurs de découplage et de bypass sont destinés à compenser les fluctuations de puissance observées sur le PDN, ce qui assure la cohérence de vos niveaux de signal et une tension constante aux broches d'alimentation/masse d'un CI. Nous avons compilé quelques lignes directrices importantes sur la conception des condensateurs de bypass et de découplage pour vous aider à utiliser ces composants avec succès dans votre prochain PCB. Dans ce blog, nous aborderons la différence entre condensateur de bypass et condensateur de découplage.

Deux problèmes liés à l'intégrité de puissance

Les condensateurs de découplage et de contournement sont utilisés pour résoudre deux problèmes différents liés à l'intégrité de l'alimentation. Bien que ces problèmes d'intégrité de l'alimentation soient liés, ils se manifestent de différentes manières. Le premier point à noter est que les termes « condensateur de découplage » et « condensateurs de contournement » lorsqu'ils sont utilisés pour l'intégrité de l'alimentation sont des abus de langage ; ils ne découplent ni ne contournent quoi que ce soit. Ils ne transmettent pas non plus de « bruit » à la terre ; ils se chargent et se déchargent simplement au fil du temps pour compenser les fluctuations de bruit. Ces termes font référence aux fonctions de ces condensateurs dans le cadre d'une stratégie d'intégrité de l'alimentation.

Tout d'abord, considérez les condensateurs de découplage. Il est généralement admis que le but du placement des condensateurs de découplage sur un PCB est de garantir que la tension entre le rail/plane d'alimentation et le plan de masse reste constante face aux bruits de l'alimentation à basse fréquence, au ringing sur le PDN, et à toute autre fluctuation de tension sur le PDN. Lorsqu'ils sont placés entre les plans d'alimentation et de masse, un condensateur de découplage est en parallèle avec les plans, ce qui augmente la capacité totale du PDN. En effet, ils compensent l'insuffisance de capacité interplan et réduisent l'impédance du PDN de sorte que tout ringing dans la tension du PDN est minimisé.

Considérez maintenant les condensateurs de découplage. Ils visent également à maintenir une tension constante au sein d'un PDN et d'un circuit intégré de commande, mais la tension qu'ils compensent est entre la broche de sortie et le plan de masse du PCB. Bien qu'ils soient placés entre une broche d'alimentation et une connexion à la masse sur un CI, ils remplissent une fonction différente, qui est de combattre le rebond de tension entre le condensateur et la masse. Lorsqu'un CI numérique commute, l'inductance parasite dans le fil de liaison, le boîtier et la broche provoque une augmentation de la tension entre la sortie du pilote et la masse. Les condensateurs de découplage émettent une tension qui est orientée à l'opposé de la tension de rebond de masse, idéalement provoquant que la fluctuation totale de tension s'additionne à zéro.

Dans le modèle ci-dessus, il existe une boucle fermée qui inclut le condensateur de dérivation (CB) et l'inductance parasite L1 sur la connexion boîtier/terre du CI. Notez que la tension de rebond de masse V(GB) est mesurée entre la broche de sortie et le plan de masse. Les inductances restantes sont toutes des parasites, qui affectent le temps de réponse du condensateur de dérivation pour compenser un rebond de masse. Dans un modèle idéal, la tension vue par le condensateur de dérivation compensera la tension de rebond de masse créée par l'inducteur parasite L1 lors de la commutation.

Directives de placement du condensateur de dérivation

Si vous regardez comment se produit le rebond du condensateur à la terre, il devrait être évident où placer les condensateurs de découplage. En raison de l'inductance parasite dans le modèle de circuit ci-dessus, un condensateur de découplage doit être placé aussi près que possible des broches d'alimentation et de terre pour minimiser ces inductances. Cela est conforme aux conseils que vous trouverez dans de nombreuses notes d'application et fiches techniques de composants.

Il y a un autre aspect à considérer, relatif aux inductances parasites, qui est la manière dont la connexion est routée vers le CI. Plutôt que de router une courte piste du condensateur aux broches du CI, vous devriez connecter le condensateur directement aux plans de masse et d'alimentation à travers des vias. Assurez-vous de respecter les exigences d'espacement des pads et des pistes dans cet arrangement.

Pourquoi est-ce le cas ? La raison est que la disposition des plans de masse/d'alimentation (tant que les plans sont dans des couches adjacentes) aura une très faible inductance parasite. En fait, c'est la source d'inductance parasite la plus faible de votre carte. Vous pourriez être en mesure de mettre en œuvre un meilleur arrangement si vous pouvez placer votre condensateur de découplage sur le côté inférieur de la carte.

Directives de conception des condensateurs de découplage

Après avoir déterminé la taille du condensateur de découplage PCB dont vous avez besoin dans votre PDN, vous devrez le placer quelque part pour vous assurer qu'il puisse compenser les fluctuations de tension d'entrée. Il est en fait préférable d'en utiliser plusieurs, car ils seront disposés en parallèle, et l'arrangement parallèle fournira une inductance série effective plus faible.

Les anciennes directives indiqueraient que vous pouvez les placer n'importe où sur la carte. Cependant, soyez prudent avec cela car cela peut augmenter l'inductance parasite vue entre le condensateur de découplage et le CI cible, ce qui augmente l'impédance du PDN et la susceptibilité aux EMI. Au lieu de cela, pour les CI avec des taux de transition rapides, vous devriez les placer plus près du CI cible. L'image ci-dessous montre un placement typique de condensateur de bypass et de découplage près d'un CI. C'est un arrangement optimal pour les circuits à haute vitesse car il y aura une très faible inductance parasite entre les condensateurs et le CI pour tous les chemins de signal.

Notez qu'il s'agit d'une vue de côté et qu'elle montre un arrangement apparemment étrange de pads, mais les connexions entre les plans et la couche de surface sont les points importants. Le routage vers l'intérieur de la couche plutôt que vers la couche de surface permet de minimiser l'inductance de boucle.

Faites Attention à la Modélisation de l'Impédance du PDN

Rappelez-vous que l'impédance du PDN détermine la taille de tout bruit transitoire de tension sur le PDN (tel que mesuré entre l'alimentation et la masse). Cependant, les condensateurs de bypass sont également connectés entre l'alimentation et la masse, ils font donc aussi partie du PDN ! Le placement des condensateurs de bypass et de découplage, ainsi que les capacitances et inductances parasites, vont collectivement déterminer le spectre d'impédance du PDN, créant une structure compliquée de résonances et d'anti-résonances.

Bien que vous puissiez trouver certains outils d'optimisation du PDN en ligne, ils supposent que tous les éléments de circuit parasites sont nuls, ce qui ne correspond pas à la réalité. Dans un modèle de circuit, la manière dont vous arrangez vos condensateurs de découplage/bypass (de petit à grand ou de grand à petit) n'a pas d'importance. Dans un agencement réel, les parasitiques sont importants (comme discuté ci-dessus), surtout pour les CI à haute vitesse/faible niveau.

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