Jak pady i przelotki wpływają na całkowitą pasożytniczą indukcyjność kondensatora?

Jak omówiłem w wcześniejszych artykułach, wiele czynników ma wpływ na oddziaływanie indukcyjności na systemy dystrybucji mocy wysokiej częstotliwości. Dwa obszary tematyczne, indukcyjność kondensatora sprzęgającego oraz indukcyjność płaszczyzn zasilających, zostały omówione w poprzednich artykułach. Ten artykuł skupi się na indukcyjności śladu kondensatora oraz indukcyjności przelotki od śladu kondensatora z powrotem do płaszczyzn zasilających PCB. Zawarte są różne typy i rozmiary śladów dla kondensatorów ceramicznych i tantalowych, a także prezentowane są wyniki testów pokazujące pasożytniczą indukcyjność kondensatora dla różnych kondensatorów.

Fizyczne przyczyny pasożytniczej indukcyjności kondensatora

Dla przypomnienia, równoważna szeregowa indukcyjność (ESL) to pasożytnicza indukcyjność kondensatora obecna w każdym komponencie, spowodowana faktem, że jego długość jest większa niż zero. Jest to główny czynnik ograniczający odpowiedź pojemnościową kondensatorów sprzęgających/bypassujących. Do przyczyn tej indukcyjności należą:

• Wkłady projektu fizycznego od śladów kondensatorów
• Długość przelotki kondensatora do płaszczyzn zasilających

Cała ścieżka, włączając w to ścieżkę powrotną do masy, określa indukcyjność obwodu elektrycznego. Na tę indukcyjność wpływają następujące czynniki:

• Krótsze przewodniki i bliskie rozmieszczenie przewodów zmniejsza indukcyjność pasożytniczą
• Indukcyjność przelotki z powrotem do warstwy płaszczyzny jest funkcją odległości do przelotki powrotu do masy; indukcyjność wzrasta wraz z średnicą przelotki i zwiększa się wraz z długością przelotki

Na rysunku 1 czerwoną linią zaznaczono indukcyjną ścieżkę od układu scalonego do kondensatora odsprzęgającego.

Skuteczna indukcyjność kondensatora jest funkcją przekroju pętli utworzonej przez kondensator, ślad kondensatora i długość przelotki do płaszczyzn zasilania. Para płaszczyzn zasilania między kondensatorem a układem scalonym zwiększa skuteczną indukcyjność. Długość przelotki zasilania układu scalonego, odstępy między przelotkami Vdd a masą oraz długość nóżek obudowy również przyczyniają się do tej indukcyjnej ścieżki, a tym samym do indukcyjności pasożytniczej kondensatora. Uwaga: Wysokowydajne obudowy układów scalonych mają dużą liczbę przelotek Vdd i masy, które tworzą równoległą płaszczyznę do ścieżki zasilania w celu zmniejszenia skutecznej indukcyjności.

Ślady kondensatorów i rozmieszczenie przelotek

ESL kondensatora jest proporcjonalny do fizycznego rozmiaru tego kondensatora. W rezultacie duże kondensatory elektrolityczne lub tantalowe mają znacznie wyższą indukcyjność pasożytniczą niż małe kondensatory ceramiczne. Ponadto kondensator ceramiczny 0603 ma niższy ESL niż większy kondensator 1206.

Jak wspomniano powyżej, dwoma czynnikami wpływającymi na ESL danego kondensatora są rozmiar i umiejscowienie śladu kondensatora. Rysunek 2 jest przykładem pokazującym ślady kondensatorów dla kondensatorów ceramicznych 1206 i 0603.

Jak można zauważyć, kształt kondensatora wraz z umiejscowieniem via może zmienić wartość ESL danego kondensatora nawet o więcej niż dwukrotnie. Wynika to z faktu, że indukcyjność via działa jak induktor szeregowo złączony z pasożytniczą indukcyjnością kondensatora. W związku z tym, indukcyjności te sumują się. Wartości na rysunku są wartościami zmierzonymi z kondensatorami połączonymi z parą płaszczyzn Vdd/ziemia najbliżej powierzchni (najkrótsze via).

Na tym rysunku, gdy zamontowany jest z typowym śladem, kondensator 0603 ma o 40% niższy ESL niż kondensator 1206. Pady na powyższym rysunku mają również pewną indukcyjność, która pojawia się szeregowo z pasożytniczą indukcyjnością kondensatora, dlatego pady również dodają indukcyjność, nawet do kondensatora SMD. Większe pady działają jak induktory o większym przekroju, więc mają większą pasożytniczą indukcyjność.

Rysunek 3 pokazuje, jak zmiana pozycji przelotek oraz dodanie większej liczby przelotek może zmniejszyć efektywną powierzchnię indukcyjności kondensatora. Dzieje się tak, ponieważ przelotki są umieszczane równolegle względem siebie, a równoległe induktory mają niższą równoważną indukcyjność. To również znacząco redukuje wartość ESL na każdym wyprowadzeniu kondensatora, dając prosty sposób na modyfikację częstotliwości rezonansowej samodzielnej, stworzonej przez pasożytniczą indukcyjność w wyprowadzeniach kondensatora.

Rysunek 3 pokazuje, że pomiędzy padami o rozmiarze 1206 jest wystarczająco dużo miejsca, aby umieścić przelotki między padami. Z czterema przelotkami umieszczonymi między padami, ESL jest redukowany o 53% w porównaniu z konfiguracją z dwoma przelotkami. Oznacza to, że połowa wymaganych kondensatorów może zapewnić tę samą efektywną impedancję wysokich częstotliwości lub przesunąć częstotliwość rezonansu szeregowego na wyższą wartość.

Przykłady dla kondensatorów wysokonapięciowych

Aplikacje wysokonapięciowe, takie jak wejścia 48V do przetwornic DC/DC, wymagają większej przestrzeni między wzorami na powierzchni i zabraniają umieszczania przelotek między padami. Jest to pokazane na rysunku 4.

W tej implementacji, przelotki są umieszczone przy krawędzi padów, tak że ESL jest znacząco redukowany z konfiguracji z dwoma przelotkami.

Należy zauważyć, że kondensatory, które mają rozmiar obudowy 0603 lub mniejszy, nie posiadają wystarczającej przestrzeni między padami na viasy, więc konieczne jest, aby były one umieszczone przy krawędziach padów. Projekt z czterema viasami na Rysunku 4 ma około 50% ESL niższy niż wcześniejszy projekt z dwoma viasami. Również na tym rysunku, wybór odstępu 0,05 cala dla śladu 0603 został dokonany tak, aby można było go umieścić blisko krawędzi BGA o rozstawie 50 mil, pozwalając na te same kanały trasowania. Ważne jest, aby zauważyć, że jeśli tego typu implementacja jest używana, konieczne jest zachowanie ostrożności przy projektowaniu maski lutowniczej, aby lut nie wpłynął do otworów podczas procesu przepływu. Alternatywnie, viasy mogą być zatyczane, aby zapobiec temu zjawisku.

Wzór via dla śladu 0402 na Rysunku 4 może pasować do rozstawu BGA o rozstawie 1,0 mm. Należy jednak zauważyć, że ten rozmiar kondensatora jest znacznie trudniejszy do montażu na dużej płytce PCB, więc generalnie nie warto się z tym męczyć dla niewielkiego zmniejszenia ESL uzyskanego dzięki mniejszemu śladowi.

W niektórych przypadkach konfiguracja ścieżek z czterema przelotkami nie jest pożądana ze względu na koszty wiercenia dodatkowych przelotek oraz trudności z kontrolowaniem ścisłych geometrii maski lutowniczej, jak wspomniano powyżej. Jeśli wybrana zostanie konfiguracja z dwoma przelotkami, taka jak pokazano na Rysunku 5, może być bardzo skuteczna, pod warunkiem, że dwie przelotki są umieszczone po bokach padów, a nie na ich końcach.

Rysunek 5 pokazuje, że chociaż dwie przelotki po boku generują o 200 pH większą ESL niż przykład z czterema przelotkami, to nadal jest to znacznie mniejsza indukcyjność niż w przypadku, gdy dwie przelotki zostały umieszczone na końcach. W przypadku kondensatorów tantalowych, jak pokazano na Rysunku 6, istnieją dwa powody, dla których warto mieć wiele przelotek na tych dużych śladach kondensatorów — redukcję ESL i ESR.

Dostępne są kondensatory tantalowe z ESR tak niskim jak 15mΩ. Przy takim kondensatorze wzór z sześcioma przelotkami może mieć połowę ESL i połowę ESR w porównaniu do śladu z dwoma przelotkami.
Długość Przelotek Kondensatora do Par Planów Zasilania

Tabela 1 przedstawia listę kilku powszechnie używanych kondensatorów. Pokazuje, że ESL kondensatora jest funkcją długości przelotek do pary planów zasilania.

Ten ESL jest znacznie mniejszy, gdy kondensator jest podłączony do pary V1/GND w porównaniu do pary V5/GND. W Tabeli 1, 13,5 mila to długość przelotek łączących z V1, a 77,5 mila to długość przelotek łączących z V5.

Posuwając sprawę o krok dalej, przeprowadzono testy z identycznymi kondensatorami o identycznych obrysach montowanych obok siebie. Różnicą było to, że kondensatory były podłączone do różnych par płyt PWR/GND. Te testy przeprowadzono na wielu układach warstw (wszystkie z cienką dielektrykiem między płytami zasilania i masą) z co najmniej dwoma różnymi projektami obrysów. Równanie 1 pokazuje bardzo bliskie przybliżenie zmierzonego ESL kondensatora ceramicznego 0603.

Jak pokazano w Tabeli 1, wartość ESL może podwoić się, gdy kondensator jest podłączony do pary płyt zasilania i masy po przeciwnej stronie płytki. Uwaga: Zmierzona wartość ESL kondensatora Johnsona 0603 była o 120 pH wyższa niż kondensatora AVX. Przypuszcza się, że było to spowodowane nieco grubszą zewnętrzną warstwą dielektryczną Johnsona. Zwiększoną indukcyjność zaobserwowano na kilku partiach kondensatorów 0603 o pojemnościach 10 nF i 100 nF.

Podsumowanie

Ślady kondensatorów wraz z przelotkami od kondensatora do płaszczyzny zasilania PCB dodają znaczącej niechcianej indukcyjności do projektu. Proste wybory projektowe, takie jak liczba przelotek użytych do montażu kondensatora SMD do jego padów oraz skrócenie długości wyprowadzeń przewlekanych, mogą znacznie ograniczyć pasożytniczą indukcyjność kondensatora.

Użyj kreatora śladów zgodnego z IPC® w Altium Designer, aby tworzyć zunifikowane biblioteki śladów PCB lub porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.

Referencje

1. Ritchey, Lee W. i Zasio, John J., "Za Pierwszym Razem, Praktyczny Podręcznik Projektowania Wysokoprędkościowych PCB i Systemów, Tom 1."