PDN에서의 디커플링, 인덕터 및 저항의 역할

여러분의 디커플링 네트워크에 이러한 구성 요소 중 하나를 추가하고 싶을 수도 있습니다

이전 기사에서, 우리는 디커플링 커패시터의 역할과 디커플링과 바이패싱의 차이점을 살펴보았습니다. 때때로 RF 디커플링 커패시터라고 불리는 디커플링 커패시터는 바이패스 커패시터와 같은 기능을 제공하지만, IC가 스위치할 때 접지 전위의 변화를 보상하는 또 다른 중요한 기능을 제공합니다.

전원 무결성을 보장하기 위해 PDN을 설계할 때 또 다른 중요한 점이 있습니다. 이것은 PDN을 설계할 때 인덕턴스의 역할입니다. 고속 설계(즉, 요즘 모든 설계)에서는 충분히 높은 주파수를 살펴볼 때까지 디커플링 회로가 일반적으로 순전히 용량성입니다. 이제 PDN에서 큰 과도 응답을 생성할 수 있는 인덕턴스가 있습니다. 이것은 두 가지 질문을 제기합니다:

1. PDN에서 인덕턴스로 인해 일부 과도 응답이 나타날 수 있다면, 우리는 응답이 비판적으로 감쇠되도록 할 수 있을까요?
2. 1번에 대한 대답이 "아니오"라면, PDN으로 흡수되는 전류로 인한 전압 장애를 최소화할 수 있도록 할 수 있을까요?

1번의 답은 "예"이지만, 우리가 보게 될 것처럼 2번을 선택하는 것이 더 실용적이며 업계에서는 표준 관행입니다. 1번을 시도하는 것은 실제 캐패시터, PDN 내의 인덕턴스, 그리고 디커플링이 무엇인지에 대해 많이 배울 기회를 제공합니다.

PDN 디커플링 네트워크의 목표는 무엇인가요?

디커플링 네트워크를 설계하는 것은 간단한 작업이 아닙니다. 저주파 회로에서는 RF 디커플링 캐패시터를 사용하는 것으로 디커플링에 충분했습니다. 많은 작은 캐패시터의 자체 공진 주파수는 여전히 많은 로직 패밀리의 무릎 주파수보다 다소 높았으므로, 스위칭 중에 전력 버스를 공진시키기 어려웠습니다. 더욱이, 디커플링 캐패시터는 IC가 스위칭될 때 잠재적 변화를 보상하기 위해 바이패스 캐패시터로도 작용했습니다.

더 빠른 로직 패밀리로 인해, 이제 무릎 주파수는 바이패스/디커플링 캐패시터, 전원 공급 디커플링 버스, 인근의 바이패스/디커플링 캐패시터, 구성 요소를 연결하는 도체, 그리고 구성 요소 자체로 형성된 등가 회로의 자체 공진 주파수와 일치할 수 있습니다. 이는 로직 게이트가 전환될 때 고속 회로에서 전원 버스에서의 링잉 가능성을 만듭니다. 반복적인 전환 하에, 이는 고진폭으로 전원 버스에서 구동된 공진 진동을 일으킬 것입니다. 그라운드 바운스의 경우와 마찬가지로, IC의 단일 스위칭 출력은 큰 영향을 미치지 않을 수 있지만, 많은 구성 요소가 동시에 전환되면 전원 버스에서 상당한 링잉을 발생시키고 IC의 전원 핀에 걸쳐 볼 수 있는 전압 레벨에 큰 변화를 일으킬 수 있습니다.

이러한 이유로, PDN에서 인덕턴스는 나쁜 것으로 간주됩니다: 특정 주파수 한계를 넘어 PDN의 임피던스 스펙트럼 전체에서 더 높은 임피던스를 생성합니다. 광대역 임피던스가 높은 것은 광대역 디지털 신호에 나쁩니다. 이러한 신호들은 과도 전류를 신호 대역폭 전체에서 더 큰 전압으로 변환시킵니다. 높은 전류 소모 시, PDN의 공진 주파수 중 하나 근처에서 코어 전압 수준에 대한 허용 오차를 초과하는 전력 버스의 링잉이 발생할 수 있습니다. 일부 지침에서는 링잉을 제한 내로 가져오기 위해 디커플링 인덕터, 커패시터, 그리고 때로는 PCB 저항을 추가할 것을 제안합니다. 전력 버스와 링잉에 인덕턴스가 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 "비판적으로 감쇠된" PDN이 어떤 모습일지 자세히 살펴보는 것이 가치가 있습니다.

디커플링 네트워크로 PDN 링잉 억제 방법

이전 기사에서 논의한 바와 같이, RF 디커플링 커패시터의 등가 RLC 모델은 과소감쇠될 수 있으며, 이 회로를 가능한 한 비판적으로 감쇠된 상태에 가깝게 만들려고 시도할 수 있습니다. 그러나, 디커플링 커패시터와 시스템의 나머지 부분에 대한 전체 등가 회로를 고려해야 합니다.

이상적으로, 몇 가지 방법으로 링잉을 억제하고 싶을 것입니다:

1. 전력 버스에서 응답을 임계 감쇠하거나 과감쇠하십시오. 이것은 PCB 인덕터, PCB 저항기 및 커패시터와 같은 몇 가지 수동 부품을 추가하여 공진 조건을 수정함으로써 비교적 간단합니다.
2. 스위칭 신호의 전력 스펙트럼 밖에 있는 값으로 공진 주파수를 이동시키는 구성 요소를 추가하십시오. 이는 제1항의 재진술일 뿐이라는 것을 알아차릴 수 있는 눈썰미 있는 독자도 있을 것입니다.
3. 전체 PDN 임피던스 스펙트럼을 평활화하려고 시도하면서 서로 다른 공진 주파수를 가진 더 많은 커패시터를 병렬로 추가하십시오. 겹치는 저임피던스 부분은 신호 대역폭 전체에 걸쳐 충분히 낮은 임피던스를 제공해야 합니다.

#1과 #2는 매우 좁은 대역폭 내에서만 발생하는 일에 대해서만 관심을 가져야 하는 아날로그 PDN에는 괜찮을 수 있습니다. #3은 광대역을 가진 디지털 구성 요소에 더 중요합니다.

감쇠 관점

이 세 가지 방법은 서로 상호 배타적입니다. RF 디커플링 커패시터와 IC 사이에 디커플링 인덕터를 직렬로 추가하면 부하로 전파되는 고주파 신호(링잉 신호 포함)가 보는 임피던스를 증가시키지만, 공진 주파수는 감소합니다. 또한, 공진 주파수가 인덕턴스의 제곱근에만 반비례하기 때문에 감쇠 상수를 더 큰 수준으로 감소시킵니다. 따라서, 디커플링 회로의 응답이 이미 과감쇠 상태라면, 디커플링 커패시터와 부하 디커플링 사이에 직렬 PCB 인덕터를 추가하면 응답을 임계 감쇠에 가깝게 만들 수 있습니다.

전원 레일에서 본 응답이 이미 부족 감쇠 상태라면, 감쇠 상수를 증가시키고 링잉 진폭을 감소시켜야 합니다. 하나의 간단한 방법은 등가 직렬 저항(ESR)이 더 큰 커패시터를 사용하는 것입니다. 전해 커패시터는 일반적으로 더 큰 ESR 값을 가지고 있다는 점에 유의하세요. 다른 옵션은 아래 회로에 표시된 것처럼 관련 IC 전에 디커플링 저항과 디커플링 인덕터를 추가하는 것입니다:

바이패스 커패시터가 있는 전체 디커플링 회로

위 모델에서 L은 부하로 이어지는 도체(예: 전력 평면 인덕턴스)의 인덕턴스와 커플링 인덕터의 값이 같다는 것을 의미합니다. 부하, 커플링 캐패시터, L, R로 구성된 등가 RLC 네트워크에서의 감쇠 상수는 RLC 직렬 회로의 일반적인 값과 같습니다. 인덕터를 추가하면 자연 공진 주파수가 감소하지만, 소량의 저항 R을 추가하면 회로에서의 감쇠를 증가시킬 수 있습니다. R이 위에 표시된 임계값과 같을 때, 이 회로에서의 과도 응답은 임계 감쇠될 수 있습니다.

PCB 저항은 감쇠를 추가하는 데 좋습니다. 불행히도, 전력을 손실하게 되므로, 전압을 너무 많이 떨어뜨리지 않도록 낮은 값의 커플링 저항만이 유용합니다. 감쇠를 바라보는 다른 방법은 PCB 저항을 제거하고 단지 커플링/바이패스 캐패시턴스와 이들과 부하 사이의 인덕턴스만을 고려하는 것입니다.

대안적 커플링 네트워크

위에 표시된 네트워크는 PDN 전체의 DC 전압 강하를 증가시킬 것이므로, 임계 감쇠에 접근하는 대안적 커플링 네트워크가 있습니다:

바이패스 캐패시터가 있는 대안적 커플링 네트워크

이 방정식들은 주어진 ESR, ESL, 및 L 값에 대한 바이패스 및 디커플링 커패시턴스의 한계가 무엇인지 알려줍니다. 이는 중요한 감쇠를 제공할 것입니다. L은 반드시 실제 인덕터일 필요는 없으며, 우리는 전원 레일의 인덕턴스를 보고 있을 수도 있지만, 이러한 경우에는 R이 0에 가까워지고 ESR이 특정 값 이하로 제어됩니다.

이 디커플링 회로에서, 중요한 저항은 이전 네트워크에서 보여진 것과 같습니다. 그러나, 디커플링 및 바이패스 커패시터의 값에도 제한이 있습니다(위에 표시됨). 위에 표시된 한계 사이의 감쇠 저항을 증가시키면 응답이 과감쇠 영역으로 이동하여 RF 디커플링 커패시터에서의 전체 응답 속도를 늦추게 됩니다.

PDN 임피던스의 역할

PDN에서 인덕턴스의 역할을 기억하는 것이 중요합니다. 이것이 기생 요소이든 의도적으로 배치된 것이든 간에. 회로 관점에서는 부하의 전원과 접지 핀 사이에 배치된 바이패스 커패시터가 고주파수에 대해 접지로의 저 임피던스 경로를 제공하여 기본적으로 커패시터의 자체 공진 주파수 이하에서 전체 PDN 임피던스를 낮추고 PDN을 저역 통과 필터처럼 보이게 합니다. 인덕턴스는 역효과를 내고 결국 임피던스를 순수하게 인덕티브하게 만듭니다.

이것은 대형 IC 근처에 바이패스 커패시터와 함께 PDN에 RF 디커플링 커패시터를 배치하는 것의 중요성을 설명해야 합니다. 디커플링 커패시터는 병렬로 저 임피던스 요소 세트를 제공하여 PDN에서 전체적으로 낮은 임피던스를 생성합니다.

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