Quand l’emplacement du condensateur de découplage est-il important sur un PCB ?

Le placement des condensateurs de découplage fait partie de ces sujets de routage PCB pour lesquels une règle simple est répétée bien au-delà des conditions où elle est réellement utile. L’instruction standard est bien connue : placer le condensateur aussi près que possible de la broche d’alimentation. Les concepteurs lisent cela dans les fiches techniques, les notes d’application, les check-lists de routage et les schémas générés par IA qui montrent des condensateurs tassés autour de chaque CI comme une bordure décorative. Le problème, c’est que ce conseil regroupe plusieurs structures de PDN différentes en une seule règle, alors que ces structures ne se comportent pas de la même manière.

Une fois que le chemin inductif entre le condensateur et la charge est défini, la décision de placement devient beaucoup plus simple. Sur certaines cartes, éloigner même modestement un condensateur augmente suffisamment l’inductance du trajet pour rendre le composant moins efficace. Sur d’autres cartes, en particulier les conceptions multicouches avec des plans d’alimentation et de masse rapprochés, l’emplacement exact du condensateur peut devenir bien moins sensible, car les plans fournissent le chemin de courant à faible inductance.

Contexte sur le placement des condensateurs de découplage

Une partie du travail de démystification autour du placement des condensateurs de découplage remonte à l’article IEEE du Dr Todd Hubing sur les PCB multicouches avec plans internes d’alimentation et de masse. Cet article examinait si les règles de placement familières pour les cartes simple face et double face restaient valables lorsqu’une carte utilisait une paire de plans à faible inductance. Le résultat clé est celui qui alimente encore le débat aujourd’hui : lorsque les condensateurs de découplage sont connectés à des plans étroitement espacés (<10 mil), l’impédance mesurée du bus d’alimentation peut montrer très peu de sensibilité à l’emplacement du condensateur, à condition que celui-ci ne soit pas placé excessivement loin de la charge.

Ce résultat est utile, mais il est aussi facile à surgénéraliser. La conclusion de Hubing n’était pas que l’emplacement du condensateur n’a jamais d’importance. L’idée était que des paires de plans étroitement espacés modifient l’inductance dominante dans le chemin du courant, ce qui change à quel point l’emplacement du condensateur affecte l’impédance du PDN. C’est très différent d’affirmer que toutes les cartes peuvent ignorer le placement des condensateurs.

Lisez l’article du Dr Hubing ici :

• Hubing, Todd H., James L. Drewniak, Thomas P. Van Doren, and David M. Hockanson. "Power bus decoupling on multilayer printed circuit boards." IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 37, no. 2 (2002): 155-166.

Graphique de Hubing et al. montrant des courbes d’impédance qui se chevauchent pour des condensateurs placés à différents emplacements sur une carte multicouche avec des plans d’alimentation et de masse étroitement espacés.

Le boîtier du composant détermine si le placement a de l’importance

L’affirmation selon laquelle l’emplacement du condensateur « n’a pas d’importance » est une surgénéralisation ; l’importance de cet emplacement varie selon le boîtier, l’empilage PCB et la manière dont le condensateur est raccordé au PDN.

Considérons un boîtier à broches par rapport à un BGA. Avec un boîtier quad flat pack ou un composant similaire, les broches d’alimentation sont accessibles sur le périmètre du boîtier, et un condensateur proche peut souvent être relié directement à ces broches par des pistes courtes. Dans cette configuration, le trajet entre le condensateur et la charge fait partie de l’impédance du chemin d’alimentation.

Les boîtiers QFN/QFP ou similaires ont des connexions exposées tout autour du bord du composant, ce qui permet une connexion directe par pistes. Notez la connexion sur le net GVDD, où la connexion par piste est utilisée et présente une inductance de trajet élevée par unité de longueur.

Cette disposition minimise l’inductance du trajet parce que la boucle de courant reste compacte et que la contribution de la piste reste faible. Pour ces boîtiers, le conseil de placement habituel est pertinent en pratique, car l’agencement des broches a été conçu pour prendre en charge ce style de connexion. Notez que vous pourriez utiliser un plan d’alimentation avec ces boîtiers, mais le plan n’est généralement pas requis uniquement pour des boîtiers à broches.

Les grands BGA comportent généralement plusieurs billes d’alimentation et de masse internes regroupées dans la région centrale du boîtier. Personne ne va router des pistes individuelles depuis des condensateurs placés à l’extérieur du boîtier jusque vers le centre du composant. À moins de placer les condensateurs sur la face arrière du BGA, vous allez vous appuyer sur des plans d’alimentation et de masse ainsi que sur des vias vers ces plans.

Dans les grands BGA, l’intérieur du boîtier comporte de nombreuses broches PWR et GND regroupées près du centre. Broches roses = PWR, broches bleues = GND. L’exemple ci-dessus concerne un processeur i.MX.

Pour les grands BGA, cette même méthode de raccordement direct par pistes est impossible parce que les broches d’alimentation et de masse sont nombreuses et dissimulées sous le corps du boîtier. Dans ce type de boîtier, il faut donc utiliser des connexions par plans dans les couches internes afin d’atteindre les broches proches du centre du boîtier. La question devient alors de savoir s’il faut utiliser un faible espacement entre les plans d’alimentation et de masse, car cela influera sur l’inductance du trajet.

Inductance du trajet

Pour déterminer si l’emplacement de placement a de l’importance, nous devons connaître l’inductance totale le long du trajet. Cette inductance totale du trajet est la somme de l’ESL propre au condensateur, de l’inductance de montage des pastilles et des vias, plus l’inductance de routage entre le condensateur et les broches du composant.

Nous pouvons écrire l’inductance du trajet ainsi :

L(trajet) = ESL + L(montage) + L(piste ou plan)

Une estimation utile d’ordre de grandeur pour l’inductance d’une piste est d’environ 5 à 7 nH/pouce, avec environ 7,5 nH/pouce pour une piste à 50 ohms sur un stratifié typique de Dk = 4. Ce sont des valeurs suffisamment élevées pour que même une longueur de routage modeste devienne pertinente. Si le condensateur apporte déjà environ 3 à 3,5 nH d’inductance de montage, alors l’ajout d’une longueur de piste appréciable peut rapidement doubler ou tripler l’inductance totale vue entre le condensateur et la charge.

Et qu’en est-il des plans ? Une paire de plans possède une inductance d’étalement, couramment exprimée en inductance « par carré ». C’est une manière utile de considérer la paire de plans, car l’inductance totale dépend du rapport longueur/largeur de la zone d’étalement du courant et de l’espacement entre les plans. Pour des plans étroitement espacés, les valeurs typiques peuvent être de l’ordre de 100 pH/carré.

Chemin du courant entre un condensateur de découplage et un CI dans un boîtier BGA. L’inductance le long de ce trajet est appelée inductance d’étalement.

Certaines valeurs d’inductance d’étalement des plans et de capacité des plans (FR4 typique, Dk) sont données par AMD dans le tableau ci-dessous. Notez que la valeur de 130 pH/carré pour un écartement de plans de 4 mil est très proche de la valeur empirique donnée par Bogatin (32 pH/carré/mil, soit 128 pH/carré sur un diélectrique de 4 mil d’épaisseur).

En laissant de côté un instant l’inductance d’étalement des plans, il faut de manière générale utiliser des plans dans les grands BGA, car c’est le moyen le plus efficace d’accéder au grand nombre de broches d’alimentation et de masse situées à l’intérieur du boîtier. Au minimum, il faut de grandes zones de cuivre qui ressemblent fortement à des plans. Les deux options offrent une inductance bien plus faible qu’une connexion par piste, comme nous le verrons ci-dessous.

Exemple : connexion par plan vs. connexion par piste

Cela nous donne deux situations à comparer : le routage par piste vers les broches PWR/GND sur un composant à broches, contre le routage par plan vers un BGA. Une fois que le condensateur est relié à une paire de plans d’alimentation et de masse étroitement espacés, le problème de placement change, car les plans transportent le courant entre le condensateur et le composant. Dans ce cas, l’inductance distribuée dominante n’est plus une longue piste routée ; c’est l’inductance d’étalement dans la paire de plans.

À cette échelle, même une zone de carte assez grande peut contribuer moins d’inductance qu’un trajet par piste beaucoup plus court. Une comparaison simple l’illustre clairement. Supposons qu’un condensateur soit situé à 5 pouces de la charge :

• Si cette connexion est réalisée avec une piste large à seulement 5 nH/pouce, l’inductance de routage seule est de 25 nH
• En ajoutant environ 3 nH d’inductance de montage, on obtient un total d’environ 28 nH

Prenons maintenant cette même séparation de 5 pouces et supposons que le courant circule dans une zone de plans alimentation-masse de 5 pouces sur 2 pouces, soit 2,5 carrés :

• À 100 pH/carré, l’inductance d’étalement est d’environ 250 pH, soit 0,25 nH
• Ajoutez les mêmes 3 nH d’inductance de montage et le total est d’environ 3,25 nH

La distance physique est identique dans les deux cas, mais la méthode de connexion modifie l’inductance totale de près d’un ordre de grandeur.

C’est le contexte derrière le résultat, moins connu, des travaux de Hubing. Si un condensateur présente environ 3 nH d’inductance de montage et que le trajet dans les plans n’ajoute qu’une fraction de nanohenry, alors déplacer le condensateur sur la carte peut ne pas changer de manière significative l’inductance totale du trajet. Dans ces conditions, l’emplacement exact du condensateur est moins sensible que ne le laisseraient entendre de nombreuses notes d’application ou recommandations.

Les recommandations de placement dépendent de la méthode de connexion

En résumé, le meilleur emplacement pour un condensateur de découplage est celui qui minimise l’inductance (trajet + montage). L’inductance de montage (ESL + pastilles/vias) est invariante avec l’emplacement, tandis que l’inductance du trajet peut dépendre fortement de l’emplacement. D’après la discussion ci-dessus sur l’inductance des pistes par rapport à l’inductance d’étalement, il devrait être clair que la longueur de piste augmente l’inductance dans une bien plus grande mesure qu’un routage par plans ou par larges rails.

Dans les cartes multicouches avec des plans d’alimentation et de masse fortement couplés, une faible inductance d’étalement peut rendre l’emplacement du condensateur beaucoup moins sensible, en particulier sous les BGA où l’accès par plans est la mise en œuvre naturelle. Pour les QFN, QFP et autres boîtiers à broches similaires, le concepteur peut souvent connecter le condensateur directement entre des broches VDD et VSS voisines à l’aide de pistes courtes.

Que vous ayez besoin de concevoir une électronique de puissance fiable ou des systèmes numériques avancés, utilisez l’ensemble complet des fonctionnalités de conception de PCB d’Altium et ses outils de CAO de classe mondiale. Altium propose la première plateforme mondiale de développement de produits électroniques, avec les meilleurs outils de conception de PCB du secteur et des fonctionnalités de collaboration interdisciplinaire pour les équipes de conception avancée. Contactez un expert Altium dès aujourd’hui !

Foire aux questions

Le placement du condensateur de découplage doit-il toujours être aussi proche que possible de la broche d’alimentation ?

Non, mais cela dépend du boîtier du composant. Cette règle est utile dans certaines implantations, mais elle ne s’applique pas de la même manière à toutes les structures de PDN. Cela dépend du chemin inductif entre le condensateur et la charge.

Pourquoi les BGA nécessitent-ils généralement des connexions par plans pour les condensateurs de découplage ?

C’est parce que les broches d’alimentation et de masse sont enfouies sous le boîtier, souvent près de son centre. Des connexions directes par piste entre des condensateurs proches et ces broches ne sont pas possibles ; les plans et les vias deviennent donc la méthode de connexion normale. L’autre méthode consiste à placer les condensateurs de découplage sur la face arrière de la zone BGA et à les relier aux broches avec des via-in-pad.

Qu’est-ce que l’inductance de trajet dans une connexion de condensateur de découplage ?

L’inductance de trajet est l’inductance totale entre le condensateur et la charge. Dans l’article, elle est définie comme l’ESL du condensateur plus l’inductance de montage plus l’inductance de routage provenant des pistes ou des plans.

Comment des plans rapprochés affectent-ils l’impédance du PDN ?

Des plans d’alimentation et de masse rapprochés réduisent l’inductance de propagation, de sorte que l’emplacement du condensateur peut devenir beaucoup moins sensible. Des plans d’alimentation et de masse étroitement espacés forment également un condensateur efficace à faible inductance, capable d’alimenter de grands circuits intégrés à haute fréquence.