Le rôle d'un découplage, des inductances et de la résistance dans un PDN

Vous pourriez vouloir ajouter l'un de ces composants à votre réseau de découplage

Dans un article précédent, nous avons examiné le rôle des condensateurs de découplage, ainsi que la différence entre découplage et contournement. Un condensateur de découplage, parfois appelé condensateur de découplage RF, remplit les mêmes fonctions qu'un condensateur de contournement, mais il assure également une fonction importante en compensant les changements de potentiel de la terre lorsqu'un CI bascule.

Il y a un autre point important à prendre en compte dans la conception de votre PDN pour assurer l'intégrité de l'alimentation. Il s'agit du rôle de l'inductance dans la conception de votre PDN. Dans les conceptions à haute vitesse (ce qui est le cas de toutes les conceptions de nos jours), le circuit de découplage est généralement purement capacitif, jusqu'à ce que l'on commence à regarder à des fréquences suffisamment élevées. À ce moment-là, l'inductance peut produire une grande réponse transitoire dans le PDN. Cela soulève deux questions :

1. Étant donné que l'alimentation sur un PDN peut présenter une certaine réponse transitoire avec l'inductance, pouvons-nous nous assurer que la réponse est critique amortie ?
2. Si la réponse à la question #1 est "Non", pouvons-nous nous assurer que la perturbation de tension due au courant tiré dans le PDN est minimisée ?

La réponse à la question #1 est "Oui", mais comme nous le verrons, emprunter la voie de la #2 est plus pratique et constitue une pratique standard dans l'industrie. Comme nous le verrons, tenter la #1 nous donne l'occasion d'apprendre beaucoup sur les vrais condensateurs, l'inductance dans un PDN et ce qu'est le découplage.

Quel est l'objectif d'un réseau de découplage PDN ?

Concevoir un réseau de découplage n'est pas une tâche simple. Avec les circuits de basse fréquence, l'utilisation d'un condensateur de découplage RF était suffisante pour le découplage. La fréquence de résonance propre de nombreux petits condensateurs était encore quelque peu supérieure à la fréquence de genou pour de nombreuses familles logiques, il serait donc difficile de conduire un bus d'alimentation à la résonance pendant la commutation. De plus, les condensateurs de découplage agiraient également comme un condensateur de dérivation pour compenser les changements potentiels au fur et à mesure que les CI basculaient.

Avec des familles de logique plus rapides, les fréquences de coupure peuvent désormais coïncider avec la fréquence de résonance propre du circuit équivalent formé par le condensateur de bypass/découplage, le bus de découplage de l'alimentation, tout condensateur de bypass/découplage proche, les conducteurs qui connectent les composants, et les composants eux-mêmes. Cela crée un potentiel de résonance dans le bus d'alimentation avec des circuits à haute vitesse lorsque les portes logiques basculent. Sous des commutations répétées, cela provoquerait une oscillation résonante entraînée dans le bus d'alimentation avec une amplitude élevée. Tout comme c'était le cas pour le rebond de masse, une seule sortie commutante sur un CI peut ne pas avoir beaucoup d'effet, mais de nombreux composants commutant simultanément peuvent produire une résonance significative dans le bus d'alimentation et de grands changements dans le niveau de tension observé à travers les broches d'alimentation d'un CI.

Pour cette raison, l'inductance dans un PDN est considérée comme néfaste : elle crée une impédance plus élevée dans tout le spectre d'impédance du PDN au-delà d'une certaine limite de fréquence. Une impédance large bande élevée est mauvaise pour les signaux numériques large bande car ces signaux transformeront le courant transitoire en une tension plus élevée dans toute la bande passante du signal. À un fort tirage de courant, le bruit dans un bus d'alimentation peut dépasser les tolérances sur les niveaux de tension de cœur près de l'une des fréquences de résonance dans le PDN. Certaines directives suggèrent d'ajouter un inducteur de découplage, un condensateur et parfois une résistance de PCB pour ramener le bruit dans les limites. Il est utile d'examiner précisément comment l'inductance affecte le bus d'alimentation et le bruit, et à quoi pourrait ressembler un PDN "critiquement amorti".

Comment supprimer le bruit dans un PDN avec un réseau de découplage

Comme discuté dans l'article précédent, le modèle équivalent RLC pour le condensateur de découplage RF peut être sous-amorti, et vous pouvez essayer de rapprocher ce circuit autant que possible du cas critique. Cependant, vous devrez considérer l'ensemble du circuit équivalent pour le condensateur de découplage et le reste du système.

Idéalement, vous souhaitez supprimer le bruit de plusieurs manières :

1. Amortir de manière critique ou suramortir la réponse sur le bus d'alimentation. Cela est plutôt simple car cela nécessite l'ajout de quelques composants passifs (inducteur PCB, résistance PCB et condensateur) pour modifier les conditions de résonance.
2. Ajoutez des composants qui déplacent la fréquence de résonance dans n'importe quelle partie du circuit de découplage vers des valeurs qui sont en dehors du spectre de puissance pour le signal de commutation. Le lecteur avisé remarquera probablement que ceci n'est qu'une reformulation du point #1
3. Ajoutez plus de condensateurs avec différentes fréquences de résonance en parallèle pour essayer de lisser l'ensemble du spectre d'impédance du PDN. Les portions à faible impédance qui se chevauchent devraient se combiner pour fournir une impédance suffisamment basse sur toute la bande passante du signal.

#1 et #2 pourraient convenir pour un PDN analogique car vous ne devriez vous soucier que de ce qui se passe dans une bande passante très étroite. #3 est plus important pour les composants numériques, qui ont une large bande passante.

La Perspective d'Amortissement

Ces trois méthodes sont quelque peu mutuellement exclusives. Ajouter une inductance de découplage en série entre le condensateur de découplage RF et un CI augmentera l'impédance vue par tout signal haute fréquence (y compris un signal de résonance) se propageant vers la charge, mais cela diminuera également la fréquence de résonance. De plus, cela diminuera la constante d'amortissement à un niveau plus élevé puisque la fréquence de résonance est seulement inversement proportionnelle à la racine carrée de l'inductance. Par conséquent, si la réponse du circuit de découplage est déjà suramortie, ajouter une inductance PCB en série entre le condensateur de découplage et le découplage de charge peut rapprocher la réponse d'un amortissement critique.

Si la réponse observée sur le rail d'alimentation est déjà sous-amortie, alors vous devez augmenter la constante d'amortissement et diminuer l'amplitude de résonance. Une manière simple est d'utiliser un condensateur avec une résistance série équivalente (ESR) plus grande. Notez que les condensateurs électrolytiques ont tendance à avoir des valeurs d'ESR plus élevées. L'autre option est d'ajouter une résistance de découplage et une inductance de découplage avant le CI pertinent, comme montré dans le circuit ci-dessous :

Circuit de découplage complet avec un condensateur de bypass

Notez que L dans le modèle ci-dessus est égal à l'inductance du conducteur (par exemple, inductance du plan d'alimentation) menant à la charge plus la valeur de l'inductance de découplage. La constante d'amortissement dans le réseau RLC équivalent formé par la charge, le condensateur de découplage, L et R est égale à la valeur habituelle pour un circuit série RLC. Ajouter l'inducteur diminue la fréquence de résonance naturelle tandis qu'ajouter une petite résistance R peut augmenter l'amortissement dans le circuit. Lorsque R est égal à la valeur critique indiquée ci-dessus, alors la réponse transitoire dans ce circuit peut être critique.

Les résistances PCB sont excellentes pour ajouter de l'amortissement. Malheureusement, vous perdez de la puissance, donc une résistance de découplage n'est bonne que lorsqu'elle a une faible valeur afin qu'elle ne chute pas trop de tension. Une autre manière de considérer l'amortissement serait de retirer la résistance PCB et de juste considérer la capacité de découplage/bypass avec toute inductance entre celles-ci et la charge.

Un réseau de découplage alternatif

Le réseau montré ci-dessus augmentera la chute de tension DC à travers le PDN, ainsi il existe un réseau de découplage alternatif qui approche l'amortissement critique :

Réseau de découplage alternatif avec un condensateur de bypass

Ces équations vous indiquent quelles sont les limites des capacités de bypass et de découplage pour des valeurs de ESR, ESL et L données, ce qui vous permettra d'obtenir un amortissement critique. Notez que L ne doit pas nécessairement être un véritable inducteur ; nous pourrions examiner l'inductance de l'alimentation électrique, bien que dans un tel cas, nous aurions R tendant vers zéro et le ESR contrôlé en dessous d'une certaine valeur.

Dans ce circuit de découplage, la résistance critique est la même que celle montrée dans le réseau précédent. Cependant, il existe également une restriction sur les valeurs des condensateurs de découplage et de bypass (montrées ci-dessus). Augmenter la résistance d'amortissement entre les limites indiquées ci-dessus entraînera le passage de la réponse dans le régime suramorti, ralentissant ainsi la réponse globale du condensateur de découplage RF.

Le Rôle de l'Impédance du PDN

Il est important de se souvenir du rôle de l'inductance dans tout réseau de distribution d'énergie (PDN), qu'il s'agisse d'un élément parasitaire ou placé intentionnellement. Le point de vue du circuit indique qu'un condensateur de découplage placé entre les broches d'alimentation et de masse sur la charge fournira un chemin à faible impédance vers la masse pour les hautes fréquences, abaissant essentiellement l'impédance globale du PDN en dessous de la fréquence de résonance propre du condensateur et faisant apparaître le PDN comme un filtre passe-bas. L'inductance est contre-productive et finit par rendre l'impédance purement inductive.

Cela devrait illustrer l'intérêt de placer des condensateurs de découplage RF sur le PDN ainsi que des condensateurs de bypass près des grands CI. Les condensateurs de découplage fournissent un ensemble d'éléments à faible impédance en parallèle, pour créer une impédance globale faible dans le PDN.

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