Rozważania dotyczące projektowania PCB wysokiej prędkości: Wskazówki dotyczące umieszczania i trasowania kondensatorów omijających

Utworzono: październik 3, 2017
Zaktualizowano: grudzień 1, 2020

Wiele lat temu większość projektów płyt, przy których pracowałem, była prostymi projektami cyfrowymi. Umieszczanie i trasowanie kondensatorów omijających w tych projektach było bardzo łatwe, a często układy były na tyle wolne, że nie potrzebowały kondensatorów ceramicznych. Większość czasu traktowaliśmy umieszczanie i trasowanie kondensatorów omijających bardziej jako dodatek niż jako główny element projektu. Pamiętam, jak niektórzy inżynierowie nawet instruowali mnie, aby „posypać” kondensatory omijające tu i ówdzie, jakby były niczym więcej niż cukrowymi dekoracjami na torcie. Nie wydawało się, aby było dużo zmartwień o to, ile ich użyć, gdzie powinny być umieszczone, czy jak powinny być połączone.

Później, gdy projekty stały się bardziej złożone i szybsze, wzrosła również potrzeba zaprojektowania bardziej wyrafinowanej sieci dystrybucji mocy (PDN) na płycie. Teraz, z wymaganiami integralności sygnału wysokiej prędkości, precyzyjnie zaprojektowana PDN stała się niezbędna dla najlepszej wydajności płyty.

Spójrzmy na wskazówki dotyczące PCB wysokiej prędkości i jakie są wymagania dotyczące umieszczania kondensatorów omijających w przypadku projektu wysokiej prędkości, oraz jakie strategie umieszczania i trasowania najlepiej pomogą Ci na tej płaszczyźnie masy.

BW picture of capacitor against a schematic background
Co robi ten kondensator?

Co robią kondensatory omijające?

Procesory i inne układy scalone na szybkich PCB wymagają ostrych szczytów prądu, których zasilacz nie jest w stanie dostarczyć. Zasilacze są zaprojektowane do dostarczania stałej ilości mocy na całym układzie PCB, a nie krótkich impulsów. Aby rozwiązać ten problem, można umieścić w pobliżu układu scalonego kondensator omijający, który dostarczy wymagany prąd dla tych szybkich szczytów. Kondensator omijający robi to, magazynując energię, a następnie rozładowując ją do układu scalonego, gdy wymaga on nadmiernego prądu. Daje to zasilaczowi czas na reakcję. Po szczytowym impulsie kondensator omijający jest ponownie ładowany i gotowy na następny cykl.

Kondensatory omijające są również ważne do redukcji odbicia masy, które może pochodzić od urządzeń cyfrowych o szybszych czasach przełączania. Kondensatory omijające są również używane do filtrowania niskoczęstotliwościowych zakłóceń spowodowanych przez zasilacz i są pomocne również w innych kwestiach związanych z integralnością sygnału oraz problemami EMI.

Ile kondensatorów omijających należy użyć?

Ilość kondensatorów obwodowych potrzebnych dla projektu zależy od urządzeń, do których są przypisane, oraz od ilości tych urządzeń. Kondensatory dużej pojemności w zakresie 10uF są zazwyczaj używane dla każdego spadku napięcia na płytce obwodu. Powinny być umieszczone tam, gdzie napięcie jest wytwarzane lub gdzie wchodzi na płytę obwodu. W niektórych urządzeniach są używane w połączeniu z kondensatorami obwodowymi wysokiej prędkości.

Ogólnie, przynajmniej jeden kondensator obwodowy wysokiej prędkości w zakresie 0.1uF powinien być umieszczony przy każdym układzie scalonym. Powinny być umieszczone jak najbliżej swojego odpowiedniego układu scalonego, aby dostarczać prąd natychmiast. Zalecam, aby urządzenia z wieloma pinami zasilania miały przynajmniej jeden kondensator obwodowy dla każdego pinu zasilania. Chociaż zajmie to więcej miejsca na płycie obwodu, może to znacząco pomóc w redukcji odbić masy.

Picture of capacitors and other placed on a PCB
Kondensatory i inne elementy pracujące na PCB

Najlepsze praktyki umieszczania i trasowania kondensatorów obwodowych

Jak wspomniałem wcześniej, powinieneś umieszczać swoje kondensatory obwodowe jak najbliżej urządzenia, do którego są przypisane. Może to być pod urządzeniem po przeciwnej stronie układu PCB, lub tuż przy pinach, do których kondensator obwodowy jest podłączony, po tej samej stronie płyty.

Dla obwodów wymagających umieszczenia wielu kondensatorów obwodów obok pinu zasilania konkretnego urządzenia, kondensatory te powinny być umieszczone obok tego pinu w rosnącej kolejności wartości. Na przykład, jeśli dla konkretnego urządzenia określono zarówno kondensator .01uF, jak i 10uF, umieść .01uF najbliżej urządzenia, a 10uF dalej od niego. W ten sposób większy kondensator buforowy będzie doładowywał kondensator wysokoczęstotliwościowy, który znajduje się najbliżej pinu urządzenia.

Kiedy prowadzisz kondensator obwodowy, należy zacząć od pinu zasilania lub masy urządzenia i prowadzić bezpośrednio do pinu kondensatora. Stamtąd trasa może kontynuować do via łączącego ją z płaszczyzną zasilania lub masy. Należy również używać jak najkrótszych i najszerszych ścieżek PCB do połączenia kondensatora obwodowego oraz używać jak najwięcej via do połączenia z płaszczyzną zasilania lub masy.

Umieszczenie i trasowanie kondensatorów omijających dla jak najlepszej sieci dystrybucji mocy jest ważną częścią projektowania PCB wysokiej prędkości. Porady, które zostały tutaj omówione, dadzą Ci dobry początek, a do Twojej dyspozycji są również inne zasoby. Oprogramowanie PCB, takie jak Altium Designer^®, posiada narzędzia do analizy DC, takie jak ich PDN Analyzer^™ . Pozwalają one analizować i rozwiązywać problemy z siecią dystrybucji mocy podczas układania layoutu PCB, zanim zbudujesz rzeczywistą płytę.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc w układzie pętli prądowej Twojego projektu PCB wysokiej prędkości? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.