Considerazioni sulla progettazione di PCB ad alta velocità: Suggerimenti per il posizionamento e il tracciamento dei condensatori di bypass

Molti anni fa, la maggior parte dei progetti di schede con cui ero coinvolto erano semplici progetti digitali. Posizionare e tracciare i condensatori di bypass in quei progetti era molto facile, e spesso la circuitazione era abbastanza lenta da non necessitare di condensatori ceramici. La maggior parte delle volte, consideravamo il posizionamento e il tracciamento dei condensatori di bypass più come un pensiero secondario che come una considerazione primaria del design. Ricordo come alcuni ingegneri mi istruissero addirittura a “cospargere” i condensatori di bypass qua e là come se fossero poco più che decorazioni zuccherate su una torta. Non sembrava esserci molta preoccupazione su quanti usarne, dove dovessero essere posizionati o come dovessero essere connessi.

In seguito, man mano che i progetti crescevano in complessità e velocità, crebbe anche la necessità di progettare una rete di distribuzione dell'energia () più raffinata sulla scheda. Ora, con i requisiti di integrità del segnale di un design ad alta velocità, un progettato con precisione è diventato imperativo per le migliori prestazioni della scheda.

Vediamo alcuni consigli per PCB ad alta velocità e quali sono i requisiti di posizionamento dei condensatori di bypass nel contesto di un design ad alta velocità, e quali strategie di posizionamento e tracciamento ti aiuteranno meglio su quel piano di massa.

Cosa fa questo condensatore?

Cosa stanno facendo i condensatori di bypass?

I processori e gli altri circuiti integrati su un PCB ad alta velocità richiederanno picchi netti di corrente che l'alimentatore non può fornire. Gli alimentatori sono progettati per fornire una quantità di potenza costante su tutto il layout del PCB, piuttosto che brevi impulsi. Per risolvere questo problema, si può posizionare un condensatore di bypass vicino al CI per fornire la corrente richiesta per questi rapidi picchi. Un condensatore di bypass fa ciò accumulando energia e poi scaricandola al CI quando richiede corrente in eccesso. Questo dà tempo all'alimentatore di rispondere. Dopo il picco, il condensatore di bypass viene ricaricato e pronto per il prossimo ciclo.

I condensatori di bypass sono anche importanti per ridurre il rimbalzo di terra che può derivare dai dispositivi digitali che hanno tempi di commutazione più rapidi. I condensatori di bypass sono utilizzati anche per filtrare il rumore a bassa frequenza causato dall'alimentatore e sono utili anche per altre questioni di integrità del segnale e problemi di EMI.

Quanti condensatori di bypass dovrebbero essere utilizzati?

La quantità di condensatori di bypass necessari per un progetto dipenderà in relazione a quelli a cui sono assegnati e a quanti di questi vengono utilizzati. I condensatori di massa nell'intervallo di 10uF sono solitamente utilizzati per ogni calo di tensione sulla scheda circuitale. Dovrebbero essere posizionati dove la tensione si sviluppa o dove entra nella scheda circuitale. Su alcuni dispositivi, sono utilizzati in combinazione con condensatori di bypass ad alta velocità.

In generale, almeno un condensatore di bypass ad alta velocità nell'intervallo di 0.1uF dovrebbe essere posizionato vicino a ogni IC. Dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile al rispettivo IC per fornire corrente immediatamente. Raccomando che i dispositivi con più pin di alimentazione dovrebbero avere almeno un condensatore di bypass per ogni pin di alimentazione. Anche se ciò occuperà più spazio sulla scheda circuitale, può aiutare significativamente a ridurre il rimbalzo di terra.

Condensatori e altri in lavoro su una PCB

Pratiche migliori per il posizionamento e il routing dei condensatori di bypass

Come ho menzionato in precedenza, dovresti posizionare i tuoi condensatori di bypass il più vicino possibile al dispositivo a cui sono assegnati. Questo può essere sotto il dispositivo sul lato opposto del layout della PCB, o appena fuori dai pin ai quali il condensatore di bypass è connesso sullo stesso lato della scheda.

Per i circuiti che richiedono più condensatori di bypass posizionati vicino al pin di alimentazione di un dispositivo specifico, i condensatori dovrebbero essere collocati accanto a quel pin in ordine crescente di valore. Ad esempio, se sia un condensatore da .01uF che uno da 10uF sono specificati per un dispositivo specifico, posizionare il .01uF più vicino al dispositivo con il 10uF più esterno rispetto a questo. In questo modo, il condensatore di maggiore capacità ricaricherà il condensatore ad alta frequenza che si trova più vicino al pin del dispositivo.

Quando si instrada un condensatore di bypass, si dovrebbe partire dal pin di alimentazione o di terra del dispositivo e andare direttamente al pin del condensatore. Da lì, il percorso può continuare verso una via che lo collega al piano di alimentazione o di terra. Si dovrebbe anche utilizzare una traccia del PCB il più corta e larga possibile per collegare il condensatore di bypass, e usare quante più vie possibili per connettersi al piano di alimentazione o di terra.

La collocazione e il routing dei tuoi condensatori di bypass per ottenere la migliore rete di distribuzione dell'energia possibile rappresentano una parte importante del tuo progetto di PCB ad alta velocità. I consigli che sono stati discussi qui ti daranno un buon punto di partenza, e ci sono anche altre risorse disponibili per te. Software per PCB, come Altium Designer, dispone di strumenti di analisi DC, come il loro PDN Analyzer^™ . Questi ti permettono di analizzare e risolvere i problemi della rete di distribuzione dell'energia durante la progettazione del layout del PCB prima di costruire un circuito reale.

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