Considérations pour la conception de PCB à haute vitesse : Astuces pour le placement et le routage des condensateurs de découplage

Créé: Octobre 3, 2017
Mise à jour: December 1, 2020

Il y a de nombreuses années, la majorité des conceptions de cartes avec lesquelles j'étais impliqué étaient de simples conceptions numériques. Placer et router les condensateurs de découplage dans ces conceptions était très facile, et souvent, les circuits étaient suffisamment lents pour que les condensateurs céramiques ne soient pas nécessaires. La plupart du temps, nous considérions le placement et le routage des condensateurs de découplage plus comme une réflexion secondaire que comme une considération de conception primaire. Je me souviens comment certains ingénieurs m'avaient même instruit de « saupoudrer » des condensateurs de découplage ici et là comme s'ils n'étaient guère plus que des décorations sucrées sur un gâteau. Il ne semblait pas y avoir beaucoup de préoccupations quant au nombre à utiliser, à l'endroit où ils devaient être placés ou à la manière dont ils devaient être connectés.

Plus tard, à mesure que les conceptions devenaient plus complexes et rapides, le besoin de concevoir un réseau de distribution d'énergie () plus raffiné sur la carte augmentait également. Maintenant, avec les exigences d'intégrité des signaux d'une conception à haute vitesse, un précisément conçu est devenu impératif pour la meilleure performance de la carte.

Examinons les astuces pour les PCB à haute vitesse et quelles sont certaines des exigences de placement des condensateurs de découplage dans le cadre d'une conception à haute vitesse, et quelles stratégies de placement et de routage vous aideront le mieux sur ce plan de masse.

BW picture of capacitor against a schematic background
Que fait ce condensateur ?

Que font les condensateurs de découplage ?

Les processeurs et autres circuits intégrés (CI) sur un PCB haute vitesse nécessitent des pics de courant aigus que l'alimentation électrique ne peut pas fournir. Les alimentations sont conçues pour fournir une quantité de puissance constante sur l'ensemble du schéma du PCB, plutôt que des rafales courtes. Pour résoudre ce problème, un condensateur de découplage peut être placé près du CI pour fournir le courant requis pour ces pics rapides. Un condensateur de découplage fait cela en stockant de l'énergie puis en la déchargeant vers le CI lorsqu'il nécessite un courant supplémentaire. Cela donne le temps à l'alimentation de réagir. Après le pic, le condensateur de découplage est rechargé et prêt pour le prochain cycle.

Les condensateurs de découplage sont également importants pour réduire le rebond de masse qui peut provenir des dispositifs numériques ayant des temps de commutation plus rapides. Les condensateurs de découplage sont aussi utilisés pour filtrer le bruit basse fréquence causé par l'alimentation et sont utiles pour d'autres problèmes d'intégrité de signal et d'EMI également.

Combien de condensateurs de découplage devrait-on utiliser ?

La quantité de condensateurs de découplage nécessaire pour un design dépendra en relation avec ceux auxquels ils sont assignés, et combien parmi ceux-ci sont utilisés. Les condensateurs de masse dans la gamme des 10uF sont généralement utilisés pour chaque chute de tension sur le circuit imprimé. Ils devraient être positionnés là où la tension se développe ou là où elle entre dans le circuit imprimé. Sur certains dispositifs, ils sont utilisés conjointement avec des condensateurs de découplage à haute vitesse.

En général, au moins un condensateur de découplage à haute vitesse dans la gamme des 0.1uF devrait être placé à côté de chaque CI. Ils devraient être placés aussi près que possible de leur CI respectif pour fournir du courant immédiatement. Je recommande que les dispositifs avec plusieurs broches d'alimentation aient au moins un condensateur de découplage pour chaque broche d'alimentation. Bien que cela utilise plus d'espace sur le circuit imprimé, cela peut considérablement aider à réduire le rebond de masse.

Picture of capacitors and other placed on a PCB
Condensateurs et autres au travail sur un PCB

Meilleures pratiques de placement et de routage des condensateurs de découplage

Comme je l'ai mentionné plus tôt, vous devriez placer vos condensateurs de découplage aussi près que possible du dispositif auquel ils sont assignés. Cela peut être en dessous du dispositif sur le côté opposé de la disposition du PCB, ou juste à côté des broches auxquelles le condensateur de découplage est connecté sur le même côté du circuit.

Pour les circuits nécessitant plusieurs condensateurs de découplage placés près de la broche d'alimentation d'un dispositif spécifique, les condensateurs doivent être placés à côté de cette broche dans un ordre croissant de valeur. Par exemple, si un condensateur de .01uF et un de 10uF sont spécifiés pour un dispositif spécifique, placez le .01uF le plus proche du dispositif avec le 10uF en dehors de celui-ci. De cette manière, le condensateur de masse plus grand rechargera le condensateur haute fréquence qui est le plus proche de la broche du dispositif.

Lors du routage d'un condensateur de découplage, vous devez commencer par la broche d'alimentation ou de masse du dispositif et aller directement à la broche du condensateur. De là, le tracé peut continuer vers un via le reliant au plan d'alimentation ou de masse. Vous devriez également utiliser une trace de PCB aussi courte et large que possible pour connecter le condensateur de découplage, et utiliser autant de vias que possible pour se connecter au plan d'alimentation ou de masse.

Le placement et le routage de vos condensateurs de découplage pour obtenir le meilleur réseau de distribution d'énergie possible constituent une partie importante de la conception de votre PCB haute vitesse. Les conseils qui ont été discutés ici vous donneront un bon départ, et d'autres ressources sont également à votre disposition. Les logiciels de PCB, comme Altium Designer^®, disposent d'outils d'analyse DC, comme leur PDN Analyzer^™ . Ceux-ci vous permettent d'analyser et de résoudre les problèmes de réseau de distribution d'énergie pendant la mise en page du PCB avant de construire une carte réelle.

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