Il ruolo di un decoupling, induttori e resistenza in una PDN

Potresti voler aggiungere uno di questi componenti alla tua rete di disaccoppiamento

In un articolo precedente, abbiamo esaminato il ruolo dei condensatori di disaccoppiamento, così come la differenza tra disaccoppiamento e bypass. Un condensatore di disaccoppiamento, talvolta chiamato condensatore di disaccoppiamento RF, fornisce le stesse funzioni di un condensatore di bypass, ma offre anche un'altra importante funzione in quanto compensa i cambiamenti nel potenziale di terra quando un IC commuta.

C'è un altro punto importante coinvolto nella progettazione della tua PDN per garantire l'integrità dell'alimentazione. Questo è il ruolo dell'induttanza nella progettazione della tua PDN. Nei progetti ad alta velocità (che sono tutti i progetti al giorno d'oggi), il circuito di disaccoppiamento è generalmente puramente capacitivo, fino a quando non si inizia a guardare a frequenze sufficientemente alte. Ora c'è l'induttanza che può produrre una grande risposta transitoria nella PDN. Questo solleva due domande:

1. Dato che l'alimentazione su una PDN può mostrare una certa risposta transitoria con l'induttanza, possiamo assicurarci che la risposta sia criticamente smorzata?
2. Se la risposta alla domanda #1 è "No", possiamo assicurarci che il disturbo di tensione dovuto alla corrente assorbita nella PDN sia minimizzato?

La risposta alla domanda #1 è "Sì", ma come vedremo, seguire la strada della #2 è più pratico ed è la pratica standard nell'industria. Come vedremo, tentare la #1 ci dà l'opportunità di imparare molto sui veri condensatori, sull'induttanza in una PDN e su cosa sia il decoupling.

Qual è l'Obiettivo di una Rete di Decoupling di una PDN?

Progettare una rete di decoupling non è un compito semplice. Con circuiti a bassa frequenza, l'uso di un condensatore di decoupling RF era sufficiente per il decoupling. La frequenza di auto-risonanza di molti condensatori più piccoli era ancora in qualche modo superiore alla frequenza di ginocchio per molte famiglie logiche, quindi sarebbe stato difficile portare un bus di alimentazione alla risonanza durante la commutazione. Inoltre, i condensatori di decoupling avrebbero anche agito come un condensatore di bypass per compensare i cambiamenti potenziali mentre gli IC commutavano.

Con famiglie logiche più veloci, le frequenze di ginocchio possono ora coincidere con la frequenza di risonanza propria del circuito equivalente formato dal condensatore di bypass/decoupling, dal bus di decoupling dell'alimentazione, da eventuali condensatori di bypass/decoupling vicini, dai conduttori che collegano i componenti e dai componenti stessi. Questo crea il potenziale per il fenomeno di ringing nel bus di alimentazione con circuiti ad alta velocità quando le porte logiche commutano. Con commutazioni ripetute, ciò potrebbe causare un'oscillazione risonante guidata nel bus di alimentazione con alta ampiezza. Proprio come nel caso del rimbalzo di terra, un singolo output di commutazione su un IC potrebbe non avere molto effetto, ma molti componenti che commutano simultaneamente possono produrre un significativo ringing nel bus di alimentazione e grandi cambiamenti nel livello di tensione osservato sui pin di alimentazione di un IC.

Per questo motivo, l'induttanza in una PDN è considerata un fattore negativo: crea un'impedenza più alta in tutto lo spettro di impedenza della PDN oltre un determinato limite di frequenza. Un'alta impedenza a banda larga è dannosa per i segnali digitali a banda larga poiché questi segnali trasformeranno la corrente transitoria in una tensione maggiore in tutta la larghezza di banda del segnale. Con un elevato assorbimento di corrente, il fenomeno di risonanza in un bus di alimentazione può superare le tolleranze sui livelli di tensione del nucleo vicino a una delle frequenze di risonanza nella PDN. Alcune linee guida suggeriscono l'aggiunta di un induttore di disaccoppiamento, un condensatore e talvolta una resistenza PCB per mantenere la risonanza entro i limiti. Vale la pena esaminare esattamente come l'induttanza influisce sul bus di alimentazione e sulla risonanza, e come potrebbe apparire una PDN "criticamente smorzata".

Come sopprimere la risonanza della PDN con una rete di disaccoppiamento

Come discusso nell'articolo precedente, il modello equivalente RLC per il condensatore di disaccoppiamento RF potrebbe essere sottosmorzato, e si può cercare di avvicinare questo circuito il più possibile al caso criticamente smorzato. Tuttavia, sarà necessario considerare l'intero circuito equivalente per il condensatore di disaccoppiamento e il resto del sistema.

Ideale sarebbe sopprimere la risonanza in alcuni modi:

1. Ammortizza criticamente o sovrammortizza la risposta sul bus di alimentazione. Questo è piuttosto semplice poiché richiede l'aggiunta di alcuni componenti passivi (induttore PCB, resistore PCB e condensatore) per modificare le condizioni di risonanza.
2. Aggiungi componenti che spostano la frequenza di risonanza in qualsiasi parte del circuito di decoupling a valori che sono al di fuori dello spettro di potenza per il segnale di commutazione. Il lettore esperto probabilmente noterà che questo è solo una riformulazione del punto #1
3. Aggiungi più condensatori con diverse frequenze di risonanza in parallelo per cercare di appianare l'intero spettro di impedenza della PDN. Le parti a bassa impedenza sovrapposte dovrebbero combinarsi per fornire un'impedenza sufficientemente bassa in tutta la larghezza di banda del segnale.

#1 e #2 potrebbero andare bene per una PDN analogica poiché dovresti preoccuparti solo di ciò che accade all'interno di una larghezza di banda molto stretta. #3 è più importante per i componenti digitali, che hanno una larghezza di banda ampia.

La Prospettiva dell'Ammortizzazione

Questi tre metodi sono in qualche modo mutuamente esclusivi. Aggiungere un induttore di disaccoppiamento in serie tra il condensatore di disaccoppiamento RF e un IC aumenterà l'impedenza vista da qualsiasi segnale ad alta frequenza (incluso un segnale di risonanza) che si propaga verso il carico, ma diminuirà anche la frequenza di risonanza. Inoltre, diminuirà la costante di smorzamento a un livello maggiore poiché la frequenza di risonanza è solo inversamente proporzionale alla radice quadrata dell'induttanza. Pertanto, se la risposta dal circuito di disaccoppiamento è già sovra-smorzata, aggiungere un induttore PCB in serie tra il condensatore di disaccoppiamento e il disaccoppiamento del carico può portare la risposta più vicino allo smorzamento critico.

Se la risposta vista sul binario di alimentazione è già sotto-smorzata, allora è necessario aumentare la costante di smorzamento e diminuire l'ampiezza del ronzio. Un modo semplice è utilizzare un condensatore con una resistenza serie equivalente (ESR) maggiore. Nota che i condensatori elettrolitici tendono ad avere valori di ESR maggiori. L'altra opzione è aggiungere una resistenza di disaccoppiamento e un induttore di disaccoppiamento prima dell'IC rilevante, come mostrato nel circuito sottostante:

Circuito di disaccoppiamento completo con un condensatore di bypass

Si noti che L nel modello sopra è uguale all'induttanza del conduttore (ad esempio, induttanza del piano di alimentazione) che porta al carico più il valore dell'induttore di disaccoppiamento. La costante di smorzamento nella rete RLC equivalente formata dal carico, dal condensatore di disaccoppiamento, da L e da R è uguale al valore usuale per un circuito serie RLC. Aggiungere l'induttore diminuisce la frequenza di risonanza naturale mentre aggiungere una piccola resistenza R può aumentare lo smorzamento nel circuito. Quando R è uguale al valore critico mostrato sopra, allora la risposta transitoria in questo circuito può essere criticamente smorzata.

Le resistenze PCB sono ottime per aggiungere smorzamento. Sfortunatamente, si perde potenza, quindi una resistenza di disaccoppiamento è buona solo quando ha un valore basso in modo che non causi una caduta di tensione eccessiva. Un modo alternativo di considerare lo smorzamento sarebbe eliminare la resistenza PCB e considerare solo la capacità di disaccoppiamento/bypass con qualsiasi induttanza tra queste e il carico.

Una Rete di Disaccoppiamento Alternativa

La rete mostrata sopra aumenterà la caduta di tensione DC in tutto il PDN, quindi esiste una rete di disaccoppiamento alternativa che si avvicina allo smorzamento critico:

Rete di disaccoppiamento alternativa con un condensatore di bypass

Queste equazioni ti dicono quali sono i limiti sulle capacitanze di bypass e decoupling per dati ESR, ESL e valori di L, che ti daranno un smorzamento critico. Nota che L potrebbe non essere necessariamente un induttore reale; potremmo considerare l'induttanza del binario di alimentazione, anche se in tal caso avremmo R che si avvicina a zero e ESR controllato sotto un certo valore.

In questo circuito di decoupling, la resistenza critica è la stessa mostrata nella rete precedente. Tuttavia, c'è anche una restrizione sui valori dei condensatori di decoupling e bypass (mostrati sopra). Aumentare la resistenza di smorzamento tra i limiti mostrati sopra causerà il passaggio della risposta nel regime sovra-smorzato, rallentando così la risposta complessiva dal condensatore di decoupling RF.

Il Ruolo dell'Impedenza PDN

È importante ricordare il ruolo dell'induttanza in qualsiasi PDN, sia che si tratti di un elemento parassita o posizionato intenzionalmente. La prospettiva del circuito afferma che un condensatore di bypass posizionato tra i pin di alimentazione e di terra sul carico fornirà un percorso a bassa impedenza verso terra per le alte frequenze, abbassando sostanzialmente l'impedenza complessiva del PDN al di sotto della frequenza di auto-risonanza del condensatore e facendo sembrare il PDN come un filtro passa-basso. L'induttanza è controproducente e alla fine rende l'impedenza puramente induttiva.

Questo dovrebbe illustrare il punto di posizionare i condensatori di decoupling RF sul PDN insieme ai condensatori di bypass vicino ai grandi IC. I condensatori di decoupling forniscono un insieme di elementi a bassa impedenza in parallelo, per creare un'impedenza complessiva bassa nel PDN.

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