Linee Guida per il Posizionamento di Condensatori di Accoppiamento e di Bypass

I problemi di integrità dell'alimentazione sono normalmente considerati dalla prospettiva dell'alimentatore, ma osservare l'uscita dai circuiti integrati è altrettanto importante. I condensatori di accoppiamento e di bypass sono destinati a compensare le fluttuazioni di potenza osservate sulla PDN, il che garantisce che i livelli dei segnali siano consistenti e che una tensione costante sia vista ai pin di alimentazione/terra su un circuito integrato. Abbiamo raccolto alcune importanti linee guida per la progettazione di condensatori di bypass e di accoppiamento per aiutarti a utilizzare con successo questi componenti nel tuo prossimo PCB. In questo blog, affronteremo la differenza tra condensatore di bypass e condensatore di accoppiamento.

Due problemi correlati all'integrità dell'alimentazione

I condensatori di decoupling e bypass sono utilizzati per risolvere due diversi problemi di integrità dell'alimentazione. Sebbene questi problemi di integrità dell'alimentazione siano correlati, si manifestano in modi diversi. Il primo punto da notare è che i termini "condensatore di decoupling" e "condensatori di bypass" quando utilizzati per l'integrità dell'alimentazione sono impropri; non decouplano o bypassano nulla. Inoltre, non trasmettono "rumore" alla terra; si caricano e si scaricano nel tempo per compensare le fluttuazioni del rumore. Questi termini si riferiscono alle funzioni di questi condensatori come parte di una strategia di integrità dell'alimentazione.

Prima di tutto, considera i condensatori di disaccoppiamento. Si afferma generalmente che lo scopo del posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento su PCB è quello di garantire che la tensione tra il binario di alimentazione/piano e il piano di massa rimanga costante contro il rumore dell'alimentazione a bassa frequenza, il ronzio sulla PDN, e qualsiasi altra fluttuazione di tensione sulla PDN. Quando posizionato tra i piani di alimentazione e di massa, un condensatore di disaccoppiamento è in parallelo con i piani, il che aumenta la capacità totale della PDN. Di fatto, compensano l'insufficiente capacità interplano e riducono l'impedenza della PDN in modo tale che qualsiasi ronzio nella tensione della PDN sia minimizzato.

Ora consideriamo i condensatori di bypass. Anche loro sono intesi a mantenere una tensione costante all'interno di una PDN e un circuito integrato di pilotaggio, ma la tensione che compensano è tra il pin di uscita e il piano di massa del PCB. Sebbene siano posizionati tra un pin di alimentazione e una connessione di massa su un circuito integrato, svolgono una funzione diversa, che è quella di combattere il rimbalzo del condensatore verso terra. Quando un circuito integrato digitale commuta, l'induttanza parassita nel filo di collegamento, nel package e nel pin causa l'aumento della tensione tra l'uscita del driver e la terra. I condensatori di bypass erogano una tensione che punta in direzione opposta alla tensione di rimbalzo verso terra, idealmente causando che la fluttuazione totale della tensione si sommi a zero.

Nel modello sopra, c'è un circuito chiuso che include il condensatore di bypass (CB) e l'induttanza parassita L1 sulla connessione pacchetto/terra dell'IC. Si noti che la tensione di rimbalzo di terra V(GB) è misurata tra il pin di uscita e il piano di terra. Le rimanenti induttanze sono tutte parassite, che influenzano il tempo di risposta del condensatore di bypass per compensare un rimbalzo di terra. In un modello ideale, la tensione vista dal condensatore di bypass compenserà la tensione di rimbalzo di terra creata dall'induttore parassita L1 durante la commutazione.

Linee guida per il posizionamento del condensatore di bypass

Se si osserva il modo in cui si verifica il rimbalzo del condensatore verso terra, dovrebbe essere ovvio dove posizionare i condensatori di bypass. A causa dell'induttanza parassita nel modello di circuito sopra, un condensatore di bypass dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile ai pin di alimentazione e di terra per minimizzare queste induttanze. Questo è in linea con i consigli che troverai in molte note applicative e schede tecniche dei componenti.

C'è un altro aspetto da considerare, relativo alle induttanze parassite, che è il modo in cui il collegamento è instradato all'IC. Piuttosto che instradare una traccia corta dal condensatore ai pin dell'IC, dovresti collegare il condensatore direttamente ai piani di terra e di alimentazione attraverso delle vie. Assicurati di rispettare i requisiti di spaziatura di pad e tracce in questa disposizione.

Perché è così? Il motivo è che la disposizione dei piani di massa/alimentazione (purché i piani siano in strati adiacenti) avrà un'induttanza parassita molto bassa. Infatti, questa è la fonte di induttanza parassita più bassa nella tua scheda. Potresti essere in grado di implementare un arrangiamento migliore se riesci a posizionare il tuo condensatore di bypass sul lato inferiore della scheda.

Linee Guida per il Design dei Condensatori di Decoupling

Dopo aver determinato la dimensione del condensatore di disaccoppiamento del PCB di cui hai bisogno nella tua PDN, dovrai posizionarlo da qualche parte per garantire che possa compensare le fluttuazioni della tensione di ingresso. È in realtà meglio utilizzarne più di uno, poiché saranno disposti in parallelo, e l'arrangiamento parallelo fornirà una minore induttanza serie effettiva. Le vecchie linee guida affermavano che potresti posizionarli ovunque sulla scheda. Tuttavia, fai attenzione a questo poiché può aumentare l'induttanza parassita vista tra il condensatore di disaccoppiamento e l'IC target, aumentando l'impedenza della PDN e la suscettibilità all'EMI. Invece, per gli IC con tassi di transizione rapidi, dovresti posizionarli più vicino all'IC target. L'immagine sottostante mostra una tipica disposizione di condensatori di bypass e disaccoppiamento vicino a un IC. Questa è una disposizione ottimale per i circuiti ad alta velocità poiché ci sarà un'induttanza parassita molto bassa tra i condensatori e l'IC per tutti i percorsi di segnale.

Si noti che questa è una vista laterale e mostra un arrangiamento apparentemente insolito dei pad, ma i collegamenti tra i piani e lo strato superficiale sono i punti importanti. Il ritorno all'interno dello strato interno piuttosto che allo strato superficiale mantiene l'induttanza di loop al minimo.

Prestare Attenzione alla Modellazione dell'Impedenza PDN

Ricorda che l'impedenza della PDN determina la dimensione di qualsiasi oscillazione di tensione transitoria sulla PDN (misurata tra alimentazione e massa). Tuttavia, i condensatori di bypass sono anche connessi tra alimentazione e massa, quindi fanno anche parte della PDN! La posizione dei condensatori di bypass e decoupling, così come le capacitanze e induttanze parassite, determineranno collettivamente lo spettro di impedenza della PDN, creando una struttura complicata di risonanze e anti-risonanze.

Sebbene tu possa trovare alcuni strumenti di ottimizzazione della PDN online, essi assumono che tutti gli elementi del circuito parassiti siano pari a zero, il che non corrisponde alla realtà. In un modello di circuito, non importa come disponi i tuoi condensatori di decoupling/bypass (da piccoli a grandi o da grandi a piccoli). In un layout reale, i parassiti sono importanti (come discusso sopra), specialmente per IC ad alta velocità/basso livello.

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