Wytyczne dotyczące rozmieszczenia kondensatorów sprzęgających i omijających

Problemy z integralnością zasilania są zazwyczaj rozpatrywane z perspektywy źródła zasilania, ale równie ważne jest przyjrzenie się wyjściu z układów scalonych. Kondensatory sprzęgające i odsprzęgające mają na celu kompensację fluktuacji mocy obserwowanych na PDN, co zapewnia spójność poziomów sygnałów i stałe napięcie na pinach zasilania/masy w układzie scalonym. Zebraliśmy kilka ważnych wytycznych dotyczących projektowania kondensatorów sprzęgających i odsprzęgających, aby pomóc Ci z sukcesem użyć tych komponentów w Twojej kolejnej płytce PCB. W tym blogu zajmiemy się różnicą między kondensatorem sprzęgającym a odsprzęgającym.

Dwa powiązane problemy z integralnością zasilania

Kondensatory sprzęgające i omijające są używane do rozwiązania dwóch różnych problemów z integralnością zasilania. Chociaż te problemy z integralnością zasilania są ze sobą powiązane, objawiają się one na różne sposoby. Pierwszą rzeczą, którą należy zauważyć, jest to, że terminy „kondensator sprzęgający” i „kondensatory omijające” używane w kontekście integralności zasilania są niepoprawne; nie sprzęgają ani nie omijają niczego. Nie przekazują również „szumów” do ziemi; po prostu ładują się i rozładowują z czasem, aby kompensować fluktuacje szumów. Te terminy odnoszą się do funkcji tych kondensatorów jako części strategii integralności zasilania.

Najpierw rozważmy kondensatory sprzęgające. Ogólnie przyjmuje się, że celem umieszczania kondensatorów sprzęgających na PCB jest zapewnienie stałego napięcia między szyną zasilającą/płaszczyzną a płaszczyzną masy w obliczu niskoczęstotliwościowych zakłóceń zasilania, dzwonienia na PDN oraz wszelkich innych fluktuacji napięcia na PDN. Gdy kondensator sprzęgający jest umieszczony między płaszczyzną zasilania a masą, jest on równoległy do tych płaszczyzn, co zwiększa całkowitą pojemność PDN. W efekcie kompensują one niewystarczającą pojemność międzypłaszczyznową i redukują impedancję PDN tak, aby wszelkie dzwonienie w napięciu PDN było zminimalizowane.

Rozważmy teraz kondensatory obejściowe. Ich celem jest również utrzymanie stałego napięcia w sieci dystrybucji zasilania (PDN) oraz w układzie sterującym, ale napięcie, które kompensują, występuje między pinem wyjściowym a płaszczyzną masy PCB. Mimo że są umieszczone między pinem zasilającym a połączeniem z masą w układzie scalonym, pełnią inną funkcję, która polega na zwalczaniu odbić napięcia od masy do kondensatora. Gdy cyfrowy układ scalony przełącza się, pasożytnicza indukcyjność w przewodzie łączącym, obudowie i pinie powoduje wzrost napięcia między wyjściem sterownika a masą. Kondensatory obejściowe wytwarzają napięcie, które jest przeciwne do napięcia odbicia od masy, co idealnie powoduje, że całkowite wahania napięcia sumują się do zera.

W powyższym modelu znajduje się zamknięta pętla, która obejmuje kondensator omijający (CB) oraz pasożytniczą indukcyjność L1 na połączeniu obudowy układu scalonego/ziemi. Zauważ, że napięcie odbicia od ziemi V(GB) jest mierzone między wyprowadzeniem wyjściowym a płaszczyzną masy. Pozostałe indukcyjności to wszystko pasożyty, które wpływają na czas reakcji kondensatora omijającego, aby skompensować odbicie od ziemi. W idealnym modelu, napięcie widziane przez kondensator omijający będzie kompensować napięcie odbicia od ziemi stworzone przez pasożytniczą cewkę L1 podczas przełączania.

Wytyczne dotyczące umieszczania kondensatorów omijających

Jeśli przyjrzysz się, w jaki sposób występuje odbicie od kondensatora do masy, powinno być oczywiste, gdzie umieścić kondensatory omijające. Ze względu na pasożytniczą indukcyjność w powyższym modelu obwodu, kondensator omijający powinien być umieszczony jak najbliżej pinów zasilania i masy, aby zminimalizować te indukcyjności. Jest to zgodne z zaleceniami, które znajdziesz w wielu notach aplikacyjnych i kartach katalogowych komponentów.

Istnieje jeszcze jeden aspekt do rozważenia, dotyczący pasożytniczych indukcyjności, a mianowicie sposób, w jaki połączenie jest prowadzone do układu scalonego. Zamiast prowadzić krótką ścieżkę od kondensatora do pinów układu scalonego, należy połączyć kondensator bezpośrednio z płaszczyznami masy i zasilania za pomocą przelotek. Upewnij się, że spełniasz wymagania dotyczące odstępów między padami i ścieżkami w tej konfiguracji.

Dlaczego tak jest? Powodem jest to, że układ płaszczyzn masy/zasilania (o ile płaszczyzny te znajdują się na przyległych warstwach) będzie miał bardzo niską indukcyjność pasożytniczą. W rzeczywistości jest to najniższe źródło indukcyjności pasożytniczej na Twojej płytce. Możesz być w stanie zaimplementować lepsze rozmieszczenie, jeśli uda Ci się umieścić kondensator omijający na dolnej stronie płytki.

Wytyczne projektowania kondensatorów sprzęgających

Po ustaleniu rozmiaru kondensatora odsprzęgającego PCB, którego potrzebujesz w swojej sieci zasilania PDN, musisz go umieścić w odpowiednim miejscu, aby mógł kompensować wahania napięcia wejściowego. Najlepiej jest użyć ich kilka, ponieważ będą one rozmieszczone równolegle, a układ równoległy zapewni niższą efektywną indukcyjność szeregową.

Starsze wytyczne stwierdzały, że można je umieścić gdziekolwiek na płycie. Jednak należy być ostrożnym, ponieważ może to zwiększyć widoczną indukcyjność pasożytniczą między kondensatorem odsprzęgającym a docelowym układem scalonym, co zwiększa impedancję PDN i podatność na EMI. Zamiast tego, dla układów scalonych z szybkimi prędkościami przełączania, powinieneś umieścić je bliżej docelowego układu scalonego. Poniższy obraz pokazuje typowe rozmieszczenie kondensatorów bypassujących i odsprzęgających w pobliżu układu scalonego. Jest to jedno z optymalnych rozmieszczeń dla układów wysokich prędkości, ponieważ indukcyjność pasożytnicza między kondensatorami a układem scalonym będzie bardzo niska dla wszystkich ścieżek sygnałowych.

Zauważ, że jest to widok z boku i pokazuje pozornie dziwne rozmieszczenie padów, ale ważne są połączenia między warstwami a warstwą powierzchniową. Prowadzenie z powrotem do warstwy wewnętrznej, a nie warstwy powierzchniowej, minimalizuje indukcyjność pętli.

Ostrożnie z modelowaniem impedancji PDN

Pamiętaj, że impedancja PDN określa wielkość wszelkich przejściowych napięć drgań na PDN (mierzone między zasilaniem a masą). Jednak kondensatory omijające są również podłączone między zasilaniem a masą, więc także są częścią PDN! Umiejscowienie kondensatorów omijających i odsprzęgających, jak również pasożytnicze pojemności i indukcyjności, będą wspólnie określać spektrum impedancji PDN, tworząc skomplikowaną strukturę rezonansów i antyrezonansów.

Chociaż można znaleźć w internecie pewne narzędzia do optymalizacji PDN, zakładają one, że wszystkie elementy obwodu pasożytniczego są zerowe, co nie odpowiada rzeczywistości. W modelu obwodu nie ma znaczenia, jak ułożysz swoje kondensatory odsprzęgające/omijające (od małych do dużych lub od dużych do małych). W rzeczywistym układzie pasożytnicze elementy mają znaczenie (jak wspomniano powyżej), szczególnie dla układów scalonych o wysokiej prędkości/niskim poziomie.

Dzięki narzędziom do projektowania układów i schematów w Altium Designer®, możesz łatwo zastosować najlepsze wytyczne dotyczące projektowania kondensatorów do obwodów bypass i dekuplujących w Twojej kolejnej płytce PCB. Zestaw narzędzi do symulacji obwodów może pomóc Ci zrozumieć strukturę rezonansową Twojej PDN. Będziesz miał również dostęp do szerokiej gamy narzędzi do zarządzania danymi komponentów i przygotowania do produkcji, jak również informacje na temat wyboru kondensatora buforowego w porównaniu z kondensatorem dekuplującym.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.