Come Ridurre la Capacitanza Parassita in un Layout di PCB

Il rumore in un sistema elettronico si presenta in molte forme. Che sia ricevuto da una fonte esterna o si trasferisca tra diverse regioni in un layout di PCB, il rumore può essere ricevuto involontariamente tramite due metodi: capacitanza parassita e induttanza parassita. L'induttanza parassita è abbastanza semplice da comprendere e diagnosticare, sia dal punto di vista del crosstalk sia dal coupling di rumore apparentemente casuale tra diverse sezioni di una scheda.

La capacitanza parassita non è necessariamente più difficile da gestire, ma richiede la comprensione di come la geometria del layout del PCB influenzerà la capacitanza mutua. Nei sistemi che operano ad alte frequenze o dove nodi ad alto dV/dt possono creare accoppiamento di rumore capacitivo, alcune semplici scelte di layout del PCB possono aiutarti a ridurre le parassite. In questo articolo, descriverò in generale come ridurre la capacitanza parassita e fornirò alcuni esempi nel routing ad alta frequenza, così come in un convertitore di commutazione.

Identifica e Riduci la Capacitanza Parassita

Sebbene non esista una formula unica per la capacitanza parassita, essa ha una definizione generale:

• La capacitanza parassita è la capacitanza involontaria (e generalmente indesiderata) che esiste tra due strutture conduttive separate da un isolante.

A volte, questa capacità non intenzionale è effettivamente vantaggiosa e, in tali casi, non usiamo il termine "parassita" per descriverla. Prendiamo ad esempio una coppia piano di alimentazione-terra; questa semplice struttura aiuta a fornire un grande serbatoio di carica per supportare componenti ad alta velocità con un alto conteggio di I/O a causa della sua capacità intrinseca. Un altro esempio potrebbe essere in una guida d'onda coplanare, dove di fatto si sfrutta la capacità parassita per impostare l'impedenza dell'interconnessione su un valore richiesto.

In un PCB, la capacità parassita può apparire praticamente ovunque. Date un'occhiata al layout qui sotto; ho evidenziato alcune aree dove la capacità parassita è prominente. Questo mostra solo la capacità generata sullo strato superiore, ma potrebbe esserci capacità su qualsiasi strato.

Come suggerisce la definizione sopra, la capacità parassita sorge tra qualsiasi coppia di conduttori separati da un dielettrico, e possiamo rapidamente identificare molteplici aree dove appare la capacità parassita nell'esempio sopra. Ogni volta che hai una capacità parassita in un layout di PCB, può sorgere in due modi:

• Come capacità propria, che appare come una capacità indesiderata alta tra un conduttore e un conduttore diverso (solitamente GND).
• Come capacità reciproca tra due strutture conduttive che sono entrambe riferite a una terza struttura conduttiva; questa è effettivamente la forma di capacità che causa l'accoppiamento capacitivo tra due tracce.

Perché l'alta capacità parassita è importante? È importante perché, ogni volta che c'è un potenziale variabile tra due conduttori accoppiati capacitivamente, ciò causa un certo flusso di corrente di spostamento su ogni conduttore. Questa è una forma di diafonia di cui i progettisti dovrebbero essere a conoscenza. Tipicamente, quando un segnale di commutazione induce il suo segnale su una traccia vittima, lo chiamiamo diafonia, ma lo stesso meccanismo può indurre rumore su qualsiasi altra struttura quando esiste una certa capacità parassita.

Sebbene non si possa mai eliminarla completamente, ci sono alcuni casi in cui è vantaggioso cercare di ridurla. Per vedere alcune strategie su come ridurre la capacità parassita, è utile guardare alcuni esempi.

Esempio: Nodi ad alto dV/dt in un Regolatore di Commutazione

La parte di esempio di un regolatore qui sotto illustra dove si troverebbe un nodo con forte dV/dt, così come perché questo layout avrà un'accoppiamento maggiore verso il suo anello di feedback piuttosto che verso qualsiasi parte vicina del sistema. In un regolatore di commutazione, il nodo dV/dt appare sull'uscita dalla fase di commutazione, ma prima della fase di rettifica/filtraggio. Nell'esempio qui sotto, il nodo SW_OUT è il nostro nodo ad alto dV/dt pilotato da un segnale PWM.

Questo nodo ha una certa capacità parassita verso la regione di terra vicina. Se ci fossero altri componenti o circuiti nelle vicinanze, la capacità parassita verso questi circuiti causerebbe l'apparizione di rumore di commutazione in quei circuiti. La terra vicina è di qualche aiuto, ma la vera cosa che impedisce l'accoppiamento del rumore è il condensatore collegato da SW_OUT di nuovo al chip del regolatore. Questo grande condensatore fornisce un percorso a bassa impedenza per il rumore di commutazione ad alto dV/dt di ritorno al lato alto della fase di commutazione, che decoppia efficacemente l'uscita della fase di commutazione da GND.

L'altra strategia che aiuta a ridurre la capacità parassita tra SW_OUT e una traccia o un circuito vicino consiste nel sfruttare il piano di GND sullo strato successivo. Avvicinare il piano di GND al nodo ad alto dV/dt ridurrà la capacità mutua creando un accoppiamento più forte del campo elettrico a GND rispetto all'accoppiamento con qualche altro nodo nel layout del PCB. In altre parole, si preferirebbe un dielettrico più sottile tra L1 e L2 in questa scheda.

Esempio: Capacità Mutua Tra Due Tracce

Il cross-talk capacitivo è uno dei due tipi di accoppiamento (l'altro è quello induttivo) tra tracce, per cui un segnale su una traccia può creare rumore su un'altra traccia. A frequenze progressivamente più alte, questo è dominato dalla capacità mutua. In un layout di PCB, assumendo che abbiate tracciato sopra una regione di GND come è la prassi migliore, essenzialmente avete due opzioni per ridurre questo tipo di capacità parassita:

• Avvicina il piano di massa alle tracce riducendo al contempo la larghezza delle tracce (obiettivo di impedenza fissato)
• Aumenta la distanza tra le tracce

Praticamente ogni raccomandazione che troverai riguardo la riduzione del crosstalk suggerirà l'opzione #2, ma l'opzione #1 è in realtà altrettanto efficace. Questo perché avvicina la carica/corrente immagine nel piano di GND più vicino alla traccia. Quello che non dovresti fare è provare qualcosa come una traccia di guardia cortocircuitata poiché ciò creerà una capacità parassita indesiderata verso GND, e può effettivamente aumentare il crosstalk in certe configurazioni.

Riassunto

Per la forma auto-capacitiva della capacità parassita, avrai bisogno di separare i conduttori o rendere i conduttori più piccoli. Per la forma mutuamente capacitiva della capacità parassita, è necessario ridurre l'accoppiamento aumentando le auto capacità ben oltre la capacità mutua. Nell'esempio sopra, abbiamo visto che semplicemente avvicinando il piano di massa alle nostre tracce mutuamente capacitive riduce grandemente la loro capacità mutua senza apportare altre modifiche ai conduttori nel layout del PCB.

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