Quando conta la posizione dei condensatori di disaccoppiamento su un PCB?

Il posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento è uno di quegli argomenti di layout PCB in cui una regola semplice viene ripetuta ben oltre le condizioni in cui è davvero utile. L’istruzione standard è familiare: posizionare il condensatore il più vicino possibile al pin di alimentazione. I progettisti lo sentono dire nei datasheet, nelle application note, nelle checklist di layout e nei diagrammi generati dall’AI che mostrano condensatori addossati attorno a ogni IC come un bordo decorativo. Il problema è che questo consiglio comprime diverse strutture PDN in un’unica regola, e tali strutture non si comportano allo stesso modo.

Una volta definito il percorso induttivo tra il condensatore e il carico, la decisione sul posizionamento diventa molto più semplice. In alcune schede, spostare un condensatore anche solo moderatamente più lontano aumenta l’induttanza del percorso a sufficienza da rendere il componente meno efficace. In altre schede, specialmente nei progetti multistrato con piani di alimentazione e di massa ravvicinati, la posizione esatta del condensatore può diventare molto meno sensibile perché i piani forniscono il percorso di corrente a bassa induttanza.

Contesto sul posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento

Una parte dell’attività di sfatare i miti sul posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento risale all’articolo IEEE del Dr. Todd Hubing sui PCB multistrato con piani interni di alimentazione e di massa. L’articolo esaminava se le note regole di posizionamento delle schede a uno o due lati fossero ancora valide quando una scheda utilizza una coppia di piani a bassa induttanza. Il risultato chiave è quello che ancora oggi alimenta il dibattito: quando i condensatori di disaccoppiamento sono collegati a piani ravvicinati (<10 mil), l’impedenza misurata del bus di alimentazione può mostrare una sensibilità molto ridotta alla posizione del condensatore, purché il condensatore non sia collocato eccessivamente lontano dal carico.

Questo risultato è utile, ma è anche facile da generalizzare eccessivamente. La conclusione di Hubing non era che la posizione del condensatore non conti mai. Il punto era che coppie di piani ravvicinati modificano l’induttanza dominante nel percorso di corrente, cambiando quindi quanto fortemente la posizione del condensatore influenzi l’impedenza della PDN. È un’affermazione molto diversa dal dire che ogni scheda possa ignorare il posizionamento del condensatore.

Leggi qui l’articolo del Dr. Hubing:

• Hubing, Todd H., James L. Drewniak, Thomas P. Van Doren, e David M. Hockanson. "Power bus decoupling on multilayer printed circuit boards." IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 37, n. 2 (2002): 155-166.

Grafico tratto da Hubing et al. che mostra curve di impedenza sovrapposte per condensatori posizionati in più punti su una scheda multistrato con piani di alimentazione e di massa ravvicinati.

Il package del componente determina se il posizionamento conta

L’affermazione secondo cui la posizione del condensatore “non conta” è una generalizzazione eccessiva; la posizione del condensatore conta in modo diverso a seconda del package, dello stackup del PCB e di come il condensatore è collegato alla PDN.

Consideriamo un package con terminali rispetto a un BGA. Con un quad flat pack o un componente simile, i pin di alimentazione sono esposti lungo il perimetro del package, e spesso un condensatore vicino può essere collegato direttamente a quei pin con tracce corte. In tale configurazione, il percorso tra il condensatore e il carico diventa parte dell’impedenza del percorso di alimentazione.

I package QFN/QFP o simili hanno terminali esposti attorno al bordo del componente, il che consente una connessione diretta con tracce. Si noti la connessione sulla net GVDD, dove viene usata una connessione tramite traccia e si ha un’elevata induttanza di percorso per unità di lunghezza.

Questa disposizione minimizza l’induttanza di percorso perché l’anello di corrente rimane compatto e il contributo della traccia resta ridotto. In questi package, il consueto consiglio di posizionamento ha senso pratico perché la disposizione dei pin è stata progettata per supportare questo stile di connessione. Si noti che con questi package si potrebbe usare anche un piano di alimentazione, ma in genere il piano non è richiesto solo per package con terminali.

I BGA di grandi dimensioni hanno tipicamente più ball di alimentazione e di massa interni raggruppati nella regione centrale del package. Nessuno instraderà singole tracce dai condensatori posti all’esterno del package fino al centro del componente. A meno di collocare i condensatori sul lato opposto del BGA, si farà affidamento su piani di alimentazione e di massa e su via verso tali piani.

Nei BGA di grandi dimensioni, l’interno del BGA conterrà molti dei pin PWR e GND raggruppati vicino al centro. Pin rosa = PWR, pin blu = GND. L’esempio sopra è relativo a un processore i.MX.

Per i BGA di grandi dimensioni, lo stesso metodo di collegamento diretto con tracce è impossibile perché i pin di alimentazione e di massa sono numerosi e nascosti sotto il corpo del package. Quindi, in questo package, è necessario avere connessioni a piani negli strati interni per raggiungere i pin vicini al centro del package. La domanda diventa allora se utilizzare una spaziatura ridotta tra piano di alimentazione e piano di massa, poiché questo influirà sull’induttanza del percorso.

Induttanza del percorso

Per determinare se la posizione conta, dobbiamo conoscere l’induttanza totale lungo il percorso. Questa induttanza totale del percorso è data dall’ESL del condensatore, dall’induttanza di montaggio di pad e via, più l’induttanza di instradamento tra il condensatore e i pin del dispositivo.

Possiamo scrivere l’induttanza del percorso come segue:

L(path) = ESL + L(mount) + L(trace or plane)

Una stima utile dell’ordine di grandezza per l’induttanza di una traccia è circa 5-7 nH/pollice, con circa 7,5 nH/pollice per una traccia da 50 ohm su un tipico sistema laminato con Dk = 4. Si tratta di valori abbastanza grandi da rendere rilevante anche una lunghezza di instradamento modesta. Se il condensatore contribuisce già con circa 3-3,5 nH di induttanza di montaggio, allora aggiungere una lunghezza apprezzabile di traccia può rapidamente raddoppiare o triplicare l’induttanza totale vista tra il condensatore e il carico.

E i piani? Una coppia di piani ha induttanza di diffusione, comunemente espressa come induttanza “per quadrato”. È un modo utile di pensare alla coppia di piani perché l’induttanza totale dipende dal rapporto lunghezza/larghezza della regione di diffusione della corrente e dalla spaziatura tra i piani. Per piani ravvicinati, i valori tipici possono essere dell’ordine di 100 pH/quadrato.

Percorso di corrente tra un condensatore di disaccoppiamento e un IC in package BGA. L’induttanza lungo questo percorso è nota come induttanza di diffusione.

Alcuni valori di induttanza di diffusione del piano e di capacità del piano (tipico Dk dell’FR4) sono riportati da AMD nella tabella seguente. Si noti che il valore di 130 pH/quadrato per una separazione tra piani di 4 mil è molto vicino al valore empirico fornito da Bogatin (32 pH/quadrato/mil, ovvero 128 pH/quadrato su un dielettrico spesso 4 mil).

Tralasciando per un momento l’induttanza di diffusione dei piani, in generale è necessario usare piani nei BGA di grandi dimensioni perché è il modo più efficiente per accedere al gran numero di pin di alimentazione e di massa all’interno del package. Come minimo, servono ampie colate di rame che assomigliano molto a piani. Entrambe le opzioni forniscono un’induttanza molto più bassa rispetto a una connessione tramite traccia, come vedremo sotto.

Esempio: connessione con piano vs. connessione con traccia

Questo ci dà due situazioni da confrontare: instradamento con tracce verso i pin PWR/GND su un componente con terminali rispetto a instradamento su piano verso un BGA. Una volta che il condensatore è collegato a una coppia ravvicinata di piani di alimentazione e di massa, il problema del posizionamento cambia perché i piani trasportano la corrente tra il condensatore e il componente. In quel caso, l’induttanza distribuita dominante non è più una lunga traccia instradata, ma l’induttanza di diffusione nella coppia di piani.

A quella scala, anche una regione della scheda piuttosto ampia può contribuire con meno induttanza di un percorso con traccia molto più corto. Un semplice confronto chiarisce bene il concetto. Supponiamo che un condensatore sia situato a 5 pollici dal carico:

• Se tale connessione è realizzata con una traccia larga a soli 5 nH/pollice, la sola induttanza di instradamento è 25 nH
• Aggiungendo circa 3 nH di induttanza di montaggio si ottiene un totale di circa 28 nH

Ora consideriamo la stessa separazione di 5 pollici e assumiamo che la corrente viaggi attraverso una regione di piano alimentazione-massa di 5 pollici per 2 pollici, pari a 2,5 quadrati:

• A 100 pH/quadrato, l’induttanza di diffusione è circa 250 pH, ovvero 0,25 nH
• Aggiungendo la stessa induttanza di montaggio di 3 nH si ottiene un totale di circa 3,25 nH

La distanza fisica è identica in entrambi i casi, ma il metodo di connessione modifica l’induttanza totale di quasi un ordine di grandezza.

Questo è il contesto dietro il risultato, poco noto, del lavoro di Hubing. Se un condensatore ha circa 3 nH di induttanza di montaggio e il percorso sul piano aggiunge solo una frazione di nanohenry, allora spostare il condensatore sulla scheda potrebbe non cambiare in modo significativo l’induttanza totale del percorso. In tali condizioni, la posizione esatta del condensatore è meno sensibile di quanto molte application note o linee guida lascino intendere.

Le linee guida di posizionamento dipendono dal metodo di connessione

In sintesi, la posizione migliore per un condensatore di disaccoppiamento è quella che minimizza l’induttanza (percorso + montaggio). L’induttanza di montaggio (ESL + pad/via) è invariante rispetto alla posizione, mentre l’induttanza del percorso può dipendere fortemente dalla posizione. Dalla discussione sopra sull’induttanza della traccia rispetto all’induttanza di diffusione, dovrebbe essere chiaro che la lunghezza della traccia aumenta l’induttanza in misura molto maggiore rispetto all’instradamento con piani o ampie barre di distribuzione.

Nei PCB multistrato con piani di alimentazione e di massa strettamente accoppiati, la bassa induttanza di diffusione può rendere la posizione del condensatore molto meno sensibile, specialmente sotto i BGA dove l’accesso ai piani è l’implementazione naturale. Per QFN, QFP e package con terminali simili, il progettista può spesso collegare il condensatore direttamente tra pin VDD e VSS vicini con tracce corte.

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Domande frequenti

Il posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento deve sempre essere il più vicino possibile al pin di alimentazione?

No, ma questo dipende dal package del componente. Questa regola è utile in alcuni layout, ma non si applica allo stesso modo a ogni struttura PDN. Dipende dal percorso induttivo tra il condensatore e il carico.

Perché i BGA richiedono solitamente connessioni ai piani per i condensatori di disaccoppiamento?

Questo perché i pin di alimentazione e di massa sono nascosti sotto il package, spesso vicino al centro del package stesso. Non è possibile realizzare collegamenti diretti con tracce dai condensatori vicini a questi pin, quindi piani e via diventano il metodo di connessione normale. L’altro metodo consiste nel posizionare i condensatori di disaccoppiamento sul lato posteriore della regione BGA e collegarli ai pin con via-in-pad.

Che cos’è l’induttanza di percorso in una connessione di un condensatore di disaccoppiamento?

L’induttanza di percorso è l’induttanza totale tra il condensatore e il carico. Nell’articolo è definita come la ESL del condensatore più l’induttanza di montaggio più l’induttanza di instradamento dovuta a tracce o piani.

In che modo i piani ravvicinati influenzano l’impedenza della PDN?

I piani di alimentazione e massa ravvicinati riducono l’induttanza di spreading, quindi la posizione del condensatore può diventare molto meno critica. I piani di alimentazione e massa ravvicinati formano anche un efficace condensatore a bassa induttanza, in grado di fornire alimentazione a grandi IC alle alte frequenze.