PDNにおけるデカップリング、インダクタ、および抵抗の役割

デカップリングネットワークにこれらのコンポーネントのいずれかを追加することを検討したいかもしれません

前の記事で、デカップリングコンデンサの役割とデカップリングとバイパスの違いについて見てきました。デカップリングコンデンサ、時にはRFデカップリングコンデンサと呼ばれるものは、バイパスコンデンサと同じ機能を提供しますが、ICが切り替わる際のグラウンドポテンシャルの変化を補償するという重要な機能も提供します。

PDNを設計する際に、電力の整合性を確保するために関与するもう一つの重要な点があります。これは、PDNを設計する際のインダクタンスの役割です。高速設計（今日ではすべての設計がそうです）では、デカップリング回路は一般的に純粋に容量性ですが、十分に高い周波数を見るときまでです。今、インダクタンスがPDNで大きな過渡応答を生じさせる可能性があります。これには2つの質問が生じます：

1. PDNの電力がインダクタンスで過渡応答を示す場合、応答が臨界減衰されることを確認できますか？
2. もし#1の答えが「いいえ」の場合、PDNに引き込まれる電流による電圧の乱れを最小限に抑えることができますか？

#1の答えは「はい」ですが、これから見るように、#2の方法を選ぶ方が実用的であり、業界の標準的な実践です。#1を試みることで、実際のキャパシタ、PDN内のインダクタンス、デカップリングとは何かについて多くを学ぶ機会が得られます。

PDNデカップリングネットワークの目標は何ですか？

デカップリングネットワークを設計することは簡単な作業ではありません。低周波回路では、RFデカップリングキャパシタを使用するだけでデカップリングに十分でした。多くの小型キャパシタの自己共振周波数は、多くのロジックファミリーの膝周波数よりもまだやや高かったため、スイッチング中に電源バスを共振させることは困難でした。さらに、デカップリングキャパシタは、ICが切り替わる際の潜在的な変化を補償するためのバイパスキャパシタとしても機能します。

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高速ロジックファミリーにより、膝周波数がバイパス/デカップリングキャパシタ、電源デカップリングバス、近くのバイパス/デカップリングキャパシタ、コンポーネントを接続する導体、およびコンポーネント自体によって形成される等価回路の自己共振周波数と一致することがあります。これにより、ロジックゲートが切り替わると高速回路の電源バスにリンギングが発生する可能性があります。繰り返しの切り替えの下では、これは高振幅で電源バスに駆動された共振振動を引き起こすでしょう。グラウンドバウンスの場合と同様に、ICの単一の切り替え出力はそれほど影響がないかもしれませんが、多くのコンポーネントが同時に切り替わると、電源バスに顕著なリンギングとICの電源ピンを横切る電圧レベルの大きな変化を引き起こす可能性があります。

このため、PDNにおけるインダクタンスは悪いものと見なされます。これは、特定の周波数限界を超えるとPDNのインピーダンススペクトラム全体でインピーダンスが高くなることを意味します。高いブロードバンドインピーダンスは、ブロードバンドデジタル信号にとって悪いものです。これらの信号は、信号帯域全体で過渡電流をより大きな電圧に変換します。高い電流引き込み時には、PDNの共振周波数の一つ近くでコア電圧レベルの許容範囲を超えるリンギングが発生することがあります。いくつかのガイドラインでは、リンギングを制限内に収めるために、デカップリングインダクタ、キャパシタ、そして時にはPCBレジスタを追加することを提案しています。電源バスとリンギングにインダクタンスがどのように影響するか、そして「臨界減衰」されたPDNがどのように見えるかを正確に見てみる価値があります。

デカップリングネットワークでPDNリンギングを抑制する方法

前の記事で議論されたように、RFデカップリングキャパシタの等価RLCモデルは過小減衰されている可能性があり、この回路をできるだけ臨界減衰ケースに近づけることができます。しかし、デカップリングキャパシタとシステムの残りの部分の全等価回路を考慮する必要があります。

理想的には、いくつかの方法でリンギングを抑制したいと考えています：

1. 電源バスの応答を臨界減衰または過減衰させます。これは比較的簡単で、共振条件を変更するためにいくつかの受動部品（PCBインダクタ、PCB抵抗、およびキャパシタ）を追加するだけです。
2. デカップリング回路の任意の部分で共振周波数をシフトさせ、スイッチング信号の電力スペクトルの範囲外の値にする部品を追加します。詳しい読者は、これが単にポイント＃1の再述であることに気づくかもしれません。
3. 異なる共振周波数を持つより多くのキャパシタを並列に追加して、PDNインピーダンススペクトル全体を滑らかにしようとします。重なり合う低インピーダンス部分は、信号帯域全体で十分に低いインピーダンスを提供するはずです。

＃1と＃2は、非常に狭い帯域内でのみ発生することに関心がある場合、アナログPDNには適しているかもしれません。＃3は、広帯域を持つデジタルコンポーネントにとってより重要です。

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減衰の観点

これら3つの方法は、ある程度相互に排他的です。RFデカップリングキャパシタとICの間にデカップリングインダクタを直列に追加すると、負荷に向かって伝播する高周波信号（リンギング信号を含む）によって見られるインピーダンスが増加しますが、共振周波数も低下します。さらに、共振周波数がインダクタンスの平方根にのみ反比例するため、減衰定数がより大きく減少します。したがって、デカップリング回路の応答がすでに過減衰である場合、デカップリングキャパシタと負荷デカップリングの間に直列PCBインダクタを追加すると、応答を臨界減衰に近づけることができます。

電源レールで見られる応答がすでに減衰不足である場合は、減衰定数を増加させてリンギング振幅を減少させる必要があります。簡単な方法の一つは、等価直列抵抗（ESR）が大きいキャパシタを使用することです。電解キャパシタはESR値が大きい傾向にあることに注意してください。もう一つの選択肢は、下の回路に示されているように、関連するICの前にデカップリング抵抗とデカップリングインダクタを追加することです。

バイパスキャパシタを備えた完全なデカップリング回路

上記モデルにおけるLは、負荷に至る導体（例：電源プレーンのインダクタンス）のインダクタンスとデカップリングインダクタの値の合計に等しいことに注意してください。負荷、デカップリングキャパシタ、L、およびRによって形成される等価RLCネットワークの減衰定数は、RLC直列回路の通常の値に等しいです。インダクタを追加すると自然共振周波数が低下し、小さな抵抗Rを追加すると回路の減衰が増加します。Rが上記の臨界値に等しい場合、この回路の過渡応答は臨界減衰することができます。

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PCB抵抗は減衰を追加するのに適しています。残念ながら、電力を失うため、デカップリング抵抗は低い値を持っている場合にのみ有効で、電圧をあまり下げないようにする必要があります。減衰を考える別の方法は、PCB抵抗を取り除き、これらと負荷の間の任意のインダクタンスとデカップリング/バイパスキャパシタンスのみを考慮することです。

代替デカップリングネットワーク

上記で示されたネットワークはPDN全体の直流電圧降下を増加させるため、臨界減衰に近づく代替のデカップリングネットワークがあります：

バイパスキャパシタを備えた代替デカップリングネットワーク

これらの方程式は、与えられたESR、ESL、およびLの値に対するバイパスおよびデカップリング容量の限界を示しており、これにより臨界減衰が得られます。Lは必ずしも実際のインダクタであるとは限らず、電源レールのインダクタンスを見ている可能性がありますが、そのような場合、Rはゼロに近づき、ESRは特定の値以下に制御されます。

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このデカップリング回路では、臨界抵抗は以前のネットワークで示されたものと同じです。しかし、デカップリングおよびバイパスコンデンサの値にも制限があります（上記参照）。上記で示された限界の間で減衰抵抗を増加させると、応答が過減衰領域に移動し、RFデカップリングコンデンサからの全体的な応答が遅くなります。

PDNインピーダンスの役割

PDNにおけるインダクタンスの役割を覚えておくことは重要です。それが寄生要素であるか意図的に配置されたものであるかにかかわらずです。回路の観点からは、負荷の電源ピンとグラウンドピンの間に配置されたバイパスコンデンサは、高周波数に対してグラウンドへの低インピーダンスパスを提供し、基本的にコンデンサの自己共振周波数以下で全体のPDNインピーダンスを下げ、PDNをローパスフィルターのように見せます。インダクタンスは逆効果であり、最終的にインピーダンスを純粋にインダクティブにします。

これは、大きなICの近くにバイパスコンデンサと共にRFデカップリングコンデンサをPDNに配置するポイントを示すべきです。デカップリングコンデンサは、PDN内で全体的に低インピーダンスを作り出すために、並列に低インピーダンス要素のセットを提供します。

PCBのPDNを設計する際には、Altium Designerのレイアウトおよびシミュレーションツールが必要になります。これにより、電源の整合性と信号の整合性の問題がないことを確認できます。回路シミュレーションを使用すると、コンポーネントの選択とレイアウトを資格付けするのに役立ち、さらにPDNでの過渡的なイベント中の電気的挙動を視覚化することができます。

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