Calcul des condensateurs de découplage : Quelle taille utiliser pour les circuits intégrés numériques ?

Les condensateurs de découplage sont-ils dimensionnés correctement ?

Un point qui revient régulièrement dans les directives de conception de PCB, y compris chez les "gourous" du design numérique haute vitesse, est la nécessité de trouver la taille de condensateur de découplage appropriée. Cela est parfois abordé sans une compréhension complète de ce que ces condensateurs sont censés faire dans un PDN ou de leur rôle dans l'assurance de l'intégrité de puissance. J'ai également vu de nombreuses notes d'application qui se réfèrent par défaut à la directive vieille de plusieurs décennies consistant à placer trois d'entre eux pour faire le pont entre les broches d'alimentation et de masse sur un circuit intégré numérique (généralement 1 nF, 10 nF et 100 nF, ou quelque chose de similaire). Dans le passé, cela était probablement suffisant ; les problèmes d'intégrité de puissance qui survenaient dans les composants numériques rapides n'étaient pas si graves au point d'interférer avec les tensions de cœur, donc le travail réalisé par les trois condensateurs était suffisamment bon.

Les circuits intégrés rapides d'aujourd'hui, qui disposent de plusieurs sorties et de tensions de cœur faibles (jusqu'à 1,0 V), ont des contraintes de bruit bien plus strictes que les composants beaucoup plus lents d'antan. Des contraintes de bruit plus strictes signifient qu'il y a un besoin de découplage plus précis. Étant donné que c'est le cas, tout concepteur travaillant avec les MCU raisonnablement puissants d'aujourd'hui et de nombreux autres composants numériques doit savoir comment dimensionner correctement un condensateur de découplage. Alors, quelle est la meilleure manière de faire cela ? En général, il y a deux façons de procéder. Examinons les deux pour voir comment calculer la valeur du condensateur de découplage et pourquoi le vieux mythe des trois condensateurs de découplage n'est pas pertinent dans les conceptions numériques haute vitesse modernes.

Comprendre le modèle de condensateur équivalent

Avant de nous pencher sur le dimensionnement des condensateurs de découplage dont vous aurez besoin pour une conception numérique, vous devez comprendre le modèle de circuit de base pour un condensateur. Autant nous aimerions penser qu'un condensateur se comporte exactement comme le théorise la théorie, ce n'est en fait pas le cas. Tous les condensateurs ont une certaine inductance sur les fils qui définit leur spectre d'impédance, qui est modélisé empiriquement comme un réseau RLC série :

Un circuit RLC équivalent utilisé pour modéliser un condensateur

Dans ce modèle, ESR et ESL sont respectivement la résistance série équivalente et l'inductance série équivalente. La valeur de C peut être prise comme la capacité indiquée dans la fiche technique d'un composant. Enfin, la valeur de R prend en compte la conductance du diélectrique qui forme le condensateur. Cela prend en compte la fuite transitoire qui se produit dans tout condensateur après qu'il a été chargé et retiré de son circuit. Cette valeur est généralement assez grande pour qu'elle puisse être ignorée.

Dans ce modèle (en ignorant R), la valeur (ESR/(2*ESL)) est la constante d'amortissement du circuit équivalent, en supposant que la charge connectée aux extrémités du circuit est de 0 Ohms. C'est le temps minimum requis pour que le circuit réponde à un changement de la tension d'entrée sous charge/décharge complète. Les fiches techniques des condensateurs ne listent pas les constantes d'amortissement, à la place, elles montreront juste un graphique du spectre d'impédance comme montré ci-dessous. Si vous le souhaitez, vous pouvez utiliser les valeurs de ESL et ESR dans vos fiches techniques pour calculer la constante d'amortissement.

Enfin, tous les condensateurs réels ont une fréquence de résonance propre égale à la valeur pour tout circuit RLC série, ou dans ce cas :

La fréquence de résonance propre peut être observée sur un graphique du spectre d'impédance. Un exemple d'un vrai condensateur AVX est montré ci-dessous :

Que fait réellement un condensateur de découplage ?

C'est une excellente question qui nous aide vraiment à comprendre pourquoi nous avons besoin de condensateurs de découplage pour assurer l'intégrité de l'alimentation des circuits intégrés numériques. Tous les condensateurs stockent la charge en équilibre lorsqu'ils sont connectés à une source de tension continue ; les plaques du condensateur se chargent et retiennent une quantité totale de charge égale à Q = CV. Si V fluctue ou diminue un peu, alors une partie de cette charge Q est libérée et fournie à la charge, tout comme une petite batterie.

Le problème qui se pose avec les condensateurs réels connectés aux circuits numériques est que la chute de tension ne se produit pas à une fréquence unique. Une fluctuation dépendante du temps dans la tension source ou une soudaine poussée de courant dans le circuit apparaîtra souvent comme un pic avec un taux de montée abrupt sur un oscilloscope. Cela signifie que le spectre de puissance associé à ce signal sera réparti sur une gamme de fréquences et se superposera à la résonance propre. Le résultat est que le condensateur se déchargera en réponse et excitera une oscillation transitoire sur le bus d'alimentation. Si cette puissance est captée dans le PDN par un condensateur numérique IC sur le bus d'alimentation, le transitoire sur le bus d'alimentation apparaîtra comme un bruit sur la broche d'alimentation. Cependant, si les bonnes tailles et quantités de condensateurs de découplage sont sélectionnées, alors cette fluctuation peut être minimisée. C'est pourquoi nous avons la directive persistante des trois condensateurs ; c'est l'arrangement et le dimensionnement les moins mauvais d'entre eux qui peuvent essayer d'assurer une alimentation stable.

Méthodes pour dimensionner les condensateurs de découplage

Maintenant que nous connaissons essentiellement le comportement électrique des condensateurs réels, nous pouvons aborder leur dimensionnement sous trois angles :

• Utilisation de la charge de charge dans le domaine temporel : Les pistes sur un PCB sont essentiellement des condensateurs, et le travail d'un condensateur de découplage est de fournir le courant dont un IC condensateur a besoin pour charger une charge. Vous pouvez estimer la charge totale et la capacité nécessaires pour charger des pistes/lignes de transmission en utilisant la capacité de charge et le temps de transition/tension de crête requis.
• Utilisation de l'ondulation cible, de la rafale de courant et du spectre d'impédance : Cela nécessite de définir des limites sur le sonnerie du bus d'alimentation et d'utiliser cela pour trouver la capacité nécessaire pour abaisser le spectre d'impédance du PDN en dessous de l'impédance cible.
• Réponses impulsives dans le domaine temporel : C'est là que vous examineriez la réponse transitoire du condensateur à l'intérieur d'un modèle pour le PDN. Vous pouvez créer des modèles phénoménologiques d'un PDN en utilisant vos schémas de circuit et utiliser l'analyse transitoire dans des simulations SPICE, ou vous pouvez calculer la fonction de transfert du PDN et les paramètres Z en utilisant un calcul de réponse impulsive. Au fur et à mesure que vous itérez à travers différentes valeurs d'entre eux, vous pouvez éventuellement minimiser l'impédance du PDN en dessous de votre cible.

Dans la liste ci-dessus, seule la première méthode est "simple" et peut vous donner une estimation de base de la charge totale que vous auriez besoin de stocker dans votre banque de condensateurs basée sur le temps minimum requis pour qu'elle délivre cette charge. Si vous découplez un circuit numérique qui a une vitesse de commutation plus rapide, alors vous voudrez choisir un condensateur avec une constante d'amortissement équivalente qui amortit de manière critique ou légèrement suramortit le circuit afin de supprimer les oscillations pendant la décharge. Tant que le taux de décharge est plus court que le temps de commutation, alors le condensateur de découplage sera capable de compenser rapidement les fluctuations de tension.

Estimation de la Capacitance Totale de Découplage Basée sur la Charge des Traces

La manière la plus simple d'estimer la capacitance totale est de considérer la quantité maximale de charge qui doit être délivrée à un condensateur IC, la rapidité avec laquelle elle doit être délivrée à l'IC, et la taille de la fluctuation de tension à compenser. Puisque la plupart des charges sont capacitives, vous pouvez relier le courant qui atteint la charge au taux auquel la tension du signal change de OFF à ON (ou vice versa) :

Notez que vous pourriez appliquer une technique similaire à une charge purement résistive ou inductive. Examinons une charge capacitive sur un CI numérique avec plusieurs sorties commutantes en utilisant cette formule comme calculateur de condensateur de découplage.

Exemple Simple : Un CI Numérique Avec 12 Sorties

La meilleure façon de montrer comment utiliser cette équation pour une charge capacitive est avec un exemple. Supposons que vous ayez un CI numérique de condensateur avec 12 sorties, où chaque signal de sortie est de 5 V avec un temps de montée de 6 ns. Chaque sortie pilote une charge avec une capacité de charge de 50 pF. Si vous approximez le temps de montée du signal comme étant linéaire, alors la dérivée dans l'équation ci-dessus peut être écrite comme dV = 5 V, et dt = 6 ns. Par conséquent, le courant requis par sortie est :

Courant par sortie de notre exemple de CI

Si les 12 sorties devaient basculer de haut en bas simultanément, alors l'afflux total de courant depuis le PDN serait de 500 mA. Cet afflux provoque un changement dans le potentiel du plan de masse, ce qui produit un changement dans le potentiel du signal, et le condensateur devrait compenser ce changement dans le potentiel du signal. Si nous supposons que le seuil pour l'état ON est de 4,5 V, alors la baisse de tension qui doit être compensée est de 0,5 V afin d'éviter les erreurs de bit. De plus, cela doit être compensé dans les 6 ns. Par conséquent, la capacité de découplage minimale est :

La capacité minimale du condensateur de découplage exemple

Ici, vous devriez utiliser—au moins—un condensateur de 6 nF pour compenser une tension maximale de 0,5 V dans 6 ns. Notez que certaines directives recommanderaient d'utiliser deux condensateurs de 3 nF en parallèle dans cet exemple car cela réduirait l'ESR par un facteur de 2, mais cela réduirait également l'ESL par un facteur de 2, donc l'effet sur l'amortissement est nul. Si la réponse du condensateur est sous-amortie, alors vous pouvez opter pour un condensateur plus grand car cela rapproche la réponse des cas critique ou sur-amortis. Cependant, l'utilisation de deux condensateurs en parallèle aide à aplatir le spectre d'impédance du réseau PDN près de la fréquence de résonance du condensateur.

Dimensionnement des condensateurs de découplage à partir des réponses impulsionnelles / Impédance PDN

Quel est le problème avec le modèle ci-dessus ? Le problème est qu'il ne prend pas en compte tous les aspects des vrais condensateurs de découplage ou d'un vrai PDN dans un circuit imprimé, incluant :

• ESL comme indiqué ci-dessus dans le modèle d'impédance équivalente du condensateur
• Capacité parasite et inductance dans le PDN

Le deuxième point est très important et nécessite des simulations après agencement. Le spectre d'impédance du PDN ne dépend pas seulement des valeurs dérivées de votre calculateur de condensateurs de découplage, il dépend également de la géométrie du PDN (c'est-à-dire, l'agencement des couches, les matériaux, la taille des bus, etc.). En raison de cette dépendance à la géométrie, vous aurez besoin d'exporter votre agencement de PCB dans un utilitaire de résolution de champs comme Ansys.

Impédance du PDN Avec Exploration de Conception

C'est beaucoup plus difficile et est parfois abordé à partir d'un modèle de circuit. Malheureusement, les modèles de circuit ne peuvent pas considérer précisément les aspects réels de l'impédance du PDN, donc vous avez généralement besoin d'un résolveur de champs pour déterminer les paramètres Z, les paramètres S, ou d'autres paramètres de réseau dans votre conception. Un résolveur de champs peut également être utilisé pour calculer le spectre d'impédance du PDN, qui peut ensuite être utilisé pour calculer une fonction de réponse impulsionnelle avec une transformée de Fourier inverse. C'est un sujet d'exploration de conception plutôt complexe qui mériterait son propre guide, mais il est important lorsque vous commencez à traiter avec des composants très rapides qui ont également des tensions de cœur faibles et des marges de bruit serrées.

Sélection de Condensateurs de Découplage Supplémentaires

Une fois que vous avez extrait ce modèle d'un solveur de champ, vous pouvez identifier les portions du spectre d'impédance du PDN qui présentent une haute impédance, et vous pouvez sélectionner des condensateurs de découplage supplémentaires qui ciblent ces pics dans le spectre d'impédance du PDN. Ajoutez des condensateurs qui ont une résonance propre qui chevauche un pic d'impédance du PDN (voir ci-dessous), et continuez à ajouter des condensateurs en parallèle jusqu'à ce que l'impédance du PDN descende en dessous de l'impédance cible. Si vous n'êtes pas sûr de votre impédance cible pour votre PDN, lisez cet article de Kella Knack pour avoir une bonne idée de la valeur cible dont vous avez besoin. Je préparerai également un nouvel article qui montre comment calculer cela directement.

Avec des cartes fonctionnant à des niveaux de puissance plus faibles, des taux de données plus élevés et des exigences de bruit plus strictes, chaque concepteur devrait avoir les outils dont il a besoin pour le calcul, la sélection et le placement des condensateurs de bypass et de découplage pour leurs PCBs. Seul Altium Designer vous offre les outils de conception de schémas et de mise en page dont vous avez besoin pour créer de nouvelles conceptions pour toute application. La suite d'outils de simulation d'Altium Designer vous aide également à identifier les problèmes d'intégrité de puissance et à examiner le comportement transitoire de votre réseau électrique.

Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qui est possible avec Altium Designer sur Altium 365. Si vous souhaitez en savoir plus sur comment calculer les valeurs des condensateurs de découplage, contactez certains de nos experts ou commencez votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365 dès aujourd'hui.