Opanowanie kontroli EMI w projektowaniu PCB: Strategie dekuplowania dla PDN

Witamy w piątym artykule z naszej serii, Opanowanie kontroli EMI w projektowaniu PCB. W tym artykule zagłębimy się w strategie dystrybucji energii i omówimy, jak je zoptymalizować, aby poprawić wydajność w zakresie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) w projektach PCB.

Rysunek 1 - Przykład strategii dekuplacji w Altium Designer^®

Kluczowym czynnikiem w kontroli EMI i poprawie integralności sygnału na cyfrowej płytce drukowanej jest wdrożenie skutecznych strategii dekuplacji. Podejścia te zapewniają czyste i stabilne zasilanie dla Układów Scalonego (IC) na płytce.

Aby to osiągnąć, projektanci PCB muszą stworzyć silną Sieć Dostarczania Energii (PDN), która spełnia potrzeby energetyczne szybko przełączających się układów scalonych, zapewniając im odpowiednią ilość prądu z zasilania. Projektowanie PDN, które dostarcza energię efektywnie i na czas, może być wyzwaniem. Wymaga to redukcji strat i spełnienia potrzeb impedancji dla wysokiej wydajności.

W miarę wzrostu szybkości transmisji danych i prędkości sygnałów, projektowanie sieci dostarczania energii (PDN) o niskiej impedancji staje się coraz ważniejsze, a zarazem trudniejsze. Wynika to z faktu, że profil impedancji jest ściśle związany z częstotliwością przesyłanych sygnałów. Zbalansowanie tych czynników jest kluczowe dla zachowania dobrej wydajności projektów PCB i minimalizacji problemów z emisją elektromagnetyczną (EMI). W projektowaniu efektywnej sieci dostarczania energii (PDN) stosuje się kilka powszechnych technik, takich jak włączanie kondensatorów sprzęgających czy używanie płaszczyzn zasilających i poligonów miedzianych w układzie warstw.

Jednakże, niektóre powszechnie akceptowane metody i mity okazały się nie tylko nieskuteczne, ale również szkodliwe dla wydajności płytki.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Antyrezonans

Jedną z popularnych technik jest używanie wielu kondensatorów o różnych rozmiarach, zazwyczaj od 10nF do 1µF. Pomysł polega na tym, że większe kondensatory dostarczają energię do układów scalonych (IC), podczas gdy mniejsze kondensatory filtrują wysokoczęstotliwościowe zakłócenia. Chociaż to podejście wydaje się logiczne, może się to obrócić przeciwko celowi zmniejszenia ogólnej impedancji PDN. Powodem, dla którego może to być kontrproduktywne, jest to, że rzeczywiste kondensatory nie zachowują się idealnie; posiadają efekty pasożytnicze, które stają się znaczące przy wyższych częstotliwościach.

Kondensatory wykazują impedancję pojemnościową tylko do swojej częstotliwości rezonansowej. Po przekroczeniu tego punktu, pasożytnicze elementy w obudowie kondensatora zaczynają wpływać na impedancję, powodując, że kondensatory zachowują się bardziej indukcyjnie. Używanie kondensatorów o różnych rozmiarach w celu osiągnięcia wyższej ogólnej pojemności i niższej impedancji może stanowić znaczące wyzwanie. Wynika to z faktu, że każdy kondensator ma swój własny, odrębny profil impedancji, który jest kształtowany przez jego unikalne cechy. Każdy kondensator posiada również inną częstotliwość rezonansową, co prowadzi do sytuacji, w której te profile impedancji nakładają się na siebie. To nakładanie się profili impedancji skutkuje wyższymi szczytami impedancji przy określonych częstotliwościach. Szczyty te pojawiają się w wyniku interakcji między różnymi częstotliwościami rezonansowymi kondensatorów.

Rysunek 2 - Antyrezonans — Efekt umieszczania kondensatorów o różnych rozmiarach i różnych profilach impedancji równolegle. Źródło: fresuelectronics.com

W rezultacie, połączony efekt tych różnych częstotliwości rezonansowych może tworzyć obszary zwiększonej impedancji, co może negatywnie wpływać na ogólną wydajność PDN oraz skuteczność strategii dekuplacji.

Aby rozwiązać ten problem, lepiej jest używać kondensatory typu Surface-Mount Device (SMD) tego samego typu i obudowy, z możliwie najniższą indukcyjnością wyprowadzeń. Umieszczanie tych kondensatorów równolegle pomaga spełnić wymagania dotyczące pojemności, jednocześnie minimalizując indukcyjność przy wysokich częstotliwościach. Dodatkowo, zmiana polaryzacji wyprowadzeń kondensatorów może zmniejszyć wzajemną indukcyjność i obniżyć całkowitą indukcyjność PDN.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Umieszczanie kondensatorów

Jeśli chodzi o umieszczanie kondensatorów odsprzęgających, kluczowe jest rozwiązanie problemu indukcyjności, który staje się coraz bardziej znaczący wraz ze wzrostem częstotliwości sygnałów. Aby temu zaradzić, kondensatory powinny być umieszczone jak najbliżej pinów zasilania Układów Scalone (IC), które pobierają prąd dla swojej pracy. Umieszczając kondensatory blisko IC, możemy zminimalizować odległość, którą prąd musi przebyć, tym samym redukując efekty indukcyjne, które mogą utrudniać działanie przy wysokich częstotliwościach.

W tym kontekście głównym zmartwieniem projektanta nie powinno być ograniczone tylko do fizycznej odległości, jaką musi przebyć prąd, ale raczej powinni oni dokładnie rozważyć dokładną ścieżkę, którą prąd podąża. Chociaż ważne jest zmniejszenie odległości między kondensatorem odsprzęgającym a pinem, do którego jest podłączony, podstawowym powodem tego jest minimalizacja pasożytniczej indukcyjności związanej ze ścieżkami. To bliskie umiejscowienie pomaga zapewnić, że kondensatory mogą skutecznie dostarczać niezbędny ładunek do układów scalonych, pomagając stabilizować zasilanie i utrzymywać integralność sygnału.

Rysunek 3 - Przykład umiejscowienia kondensatora odsprzęgającego obok układu scalonego z Altium Designer

Optymalizując ścieżkę, a nie tylko skupiając się na jej skróceniu, projektant może zapewnić, że prąd płynie w najbardziej efektywny sposób, redukując potencjalne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i poprawiając ogólną wydajność obwodu.

Dlatego odpowiednie planowanie ścieżki może być równie krytyczne, co minimalizowanie samej odległości, ponieważ oba bezpośrednio wpływają na pasożytnicze efekty, które mogą zagrażać stabilności i funkcjonalności obwodu.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Oprócz zapewnienia, że kondensatory są umieszczone w bliskiej odległości od układów scalonych (IC), zaleca się wybór kondensatorów z możliwie najniższą równoważną rezystancją szeregową (ESR). ESR jest krytycznym parametrem, ponieważ bezpośrednio wpływa na efektywność kondensatora w filtracji wysokoczęstotliwościowych zakłóceń. Niższa ESR zmniejsza całkowitą impedancję między kondensatorem a pinami zasilającymi IC, umożliwiając bardziej efektywne tłumienie fluktuacji napięcia i zakłóceń na liniach zasilających. Dodatkowo, kondensatory z niższą ESR zazwyczaj wykazują lepszą wydajność w szerszym zakresie częstotliwości, co dodatkowo przyczynia się do redukcji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i poprawy ogólnej integralności mocy projektu.

Płaszczyzny zasilające

Projektując wielowarstwową płytkę drukowaną (PCB), zaleca się umieszczenie pary płaszczyzn zasilania i powrotnych, często określanych jako płaszczyzny „masowe”, blisko siebie w stosie warstw. Umieszczenie tych płaszczyzn blisko siebie zwiększa rozproszoną pojemność między nimi, co z kolei obniża całkowitą impedancję sieci dystrybucji mocy (PDN).

Idealna konfiguracja polega na umieszczeniu warstw sygnałowych obok płaszczyzny odniesienia zwrotu, powszechnie określanej jako „Masa sygnałowa”. To strategiczne rozmieszczenie pozwala prądowi zwrotnemu płynąć z minimalnym obszarem pętli, co pomaga ograniczyć generowane przez sygnały pola elektromagnetyczne, kontrolując tym samym zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i redukując szum. Ta konfiguracja znacząco poprawia integralność sygnału, ponieważ minimalizuje przeplot i elektromagnetyczne sprzężenie między ścieżkami, zapewniając wyższą jakość sygnału i niezawodną komunikację na całej płytce PCB. Po przeciwnej stronie płaszczyzny odniesienia zwrotu powinna być umieszczona płaszczyzna zasilania. Układ ten zapewnia, że płaszczyzna zasilania może skutecznie dostarczać energię do układów scalonych (IC) bez zakłóceń spowodowanych przez szybko przełączające się sygnały. Oddzielając płaszczyznę zasilania od warstw sygnałowych, jednocześnie zachowując bliskość do płaszczyzny odniesienia zwrotu, można zmniejszyć sprzężenie szumów i stworzyć stabilne środowisko dla dostawy mocy, ostatecznie przyczyniając się do efektywnej pracy całego obwodu. To rozmieszczenie wzmacnia zarówno integralność mocy, jak i integralność sygnału, co czyni je fundamentalną praktyką projektową dla wielowarstwowych PCB o wysokiej wydajności.

Rysunek 4 - Przykład zoptymalizowanego układu 6 warstw z Altium Designer^®

Wykorzystanie zarówno lokalnych kondensatorów, umieszczonych blisko pinów zasilających układów scalonych, jak i bliskie sobie płaszczyzny zasilania i masy zapewnia kompleksowe rozwiązanie. Ta kombinacja poprawia sieć dostarczania energii (Power Delivery Network), redukuje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i utrzymuje lepszą jakość sygnału na całej płycie. Dodatkowo, podejście to pomaga rozprowadzać energię bardziej równomiernie po całej płytce PCB i redukuje indukcyjność, która mogłaby wystąpić przy użyciu tradycyjnej metody routingu zasilania.

Łącząc dobrze umieszczone kondensatory z blisko położonymi płaszczyznami zasilania i masy, tworzysz bardziej niezawodny i efektywny system dystrybucji energii, zapewniając, że twoja płyta PCB działa dobrze i jest wolna od zakłóceń.

W naszym następnym artykule zajmiemy się tematem zapobiegania przeplotom sygnałów. Zbadamy strategie minimalizowania zakłóceń między sygnałami i zapewnienia czystszej, bardziej niezawodnej komunikacji w twoich projektach PCB, ze szczególnym uwzględnieniem najlepszych praktyk dotyczących EMI. Możesz upewnić się, że nie przegapisz tego, śledząc strony i media społecznościowe Altium, dzięki czemu będziesz na bieżąco z cennymi wskazówkami i praktycznymi poradami, które ulepszą twoje projekty.

Podsumowanie

Pracując nad zaawansowanymi projektami PCB, Altium Designer^® oferuje kompleksowy zestaw narzędzi, które mogą znacznie uprościć proces dla projektantów PCB i pomóc w stworzeniu efektywnej sieci dostarczania energii (PDN). Jedną z kluczowych funkcji Altium Designer^® jest Menedżer Układu Warstw. To narzędzie pomaga wybrać optymalną konfigurację układu dla Twojej płytki PCB, bazując na konkretnych potrzebach Twojego systemu.

Dodatkowo, Altium Designer® zawiera potężne zintegrowane narzędzia, które pozwalają na szczegółowe symulacje Twojej PDN. Te symulacje pomagają analizować i podejmować świadome decyzje o tym, jak skutecznie poprawić projekt Twojej płytki.

Aby podnieść poziom Twoich projektów PCB i skorzystać z tych zaawansowanych narzędzi, zachęcamy do rozpoczęcia darmowego okresu próbnego Altium Designer^® i Altium 365^™.

To da Ci możliwość doświadczenia z pierwszej ręki, jak to kompleksowe narzędzie CAD może zwiększyć Twoje możliwości projektowe i prowadzić do bardziej efektywnych i skutecznych projektów PCB.