Jak zmniejszyć pojemność pasożytniczą w układzie PCB

Szum w systemie elektronicznym może przyjmować wiele form. Niezależnie od tego, czy jest odbierany z zewnętrznego źródła, czy przenosi się między różnymi regionami na układzie PCB, szum może być niezamierzenie odbierany za pomocą dwóch metod: pojemności pasożytniczej i indukcyjności pasożytniczej. Indukcyjność pasożytnicza jest dość prosta do zrozumienia i zdiagnozowania, zarówno z perspektywy przeplotu, jak i sprzęgania pozornie losowego szumu między różnymi sekcjami płytki.

Pojemność pasożytnicza nie jest koniecznie trudniejsza do opanowania, ale wymaga zrozumienia, jak geometria układu PCB wpłynie na wzajemną pojemność. W systemach pracujących na wysokich częstotliwościach lub tam, gdzie węzły o wysokim dV/dt mogą tworzyć sprzężenie szumów pojemnościowych, kilka prostych wyborów dotyczących układu PCB może pomóc w redukcji pasożytów. W tym artykule opiszę ogólnie, jak zmniejszyć pojemność pasożytniczą i podam kilka przykładów w trasowaniu wysokich częstotliwości, jak również w przetwornicy przełączającej.

Identyfikuj i redukuj pojemność pasożytniczą

Chociaż nie istnieje pojedyncza formuła dla pojemności pasożytniczej, ma ona ogólną definicję:

• Pojemność pasożytnicza to niezamierzona pojemność (i ogólnie niepożądana), która istnieje między dwiema strukturami przewodzącymi oddzielonymi przez izolator.

Czasami ta niezamierzona pojemność jest faktycznie korzystna i w takich przypadkach nie używamy terminu „pasożytnicza” do jej opisania. Weźmy na przykład parę płaszczyzn zasilania i masy; ta prosta struktura pomaga zapewnić duży zbiornik ładunku, aby wspierać komponenty wysokiej prędkości z dużą liczbą wejść/wyjść ze względu na jej wrodzoną pojemność. Innym przykładem byłaby falowód współpłaszczyznowy, gdzie w zasadzie wykorzystuje się pasożytniczą pojemność do ustawienia impedancji połączenia na wymaganą wartość.

W PCB, pasożytnicza pojemność może pojawić się właściwie wszędzie. Spójrz na poniższy układ; wskazałem kilka obszarów, gdzie pojemność pasożytnicza jest wyraźna. Pokazuje to tylko pojemność generowaną na górnej warstwie, ale pojemność może występować na dowolnej warstwie.

Tak jak sugeruje powyższa definicja, pojemność pasożytnicza pojawia się między dowolną parą przewodników oddzielonych dielektrykiem, i możemy szybko zidentyfikować wiele obszarów, gdzie pojemność pasożytnicza pojawia się w powyższym przykładzie. Kiedykolwiek masz do czynienia z pojemnością pasożytniczą w układzie PCB, może ona powstać na dwa sposoby:

• Jako pojemność własna, która pojawia się jako wysoka niepożądana pojemność między przewodnikiem a innym przewodnikiem (zazwyczaj GND).
• Jako wzajemna pojemność między dwoma przewodzącymi strukturami, które są odniesione do trzeciej przewodzącej struktury; jest to efektywnie forma pojemności, która powoduje pojemnościowe sprzężenie między dwoma ścieżkami.

Dlaczego wysoka pojemność pasożytnicza ma znaczenie? Ma znaczenie, ponieważ, kiedykolwiek występuje zmieniający się potencjał między dwoma pojemnościowo sprzężonymi przewodnikami, powoduje to przepływ pewnego prądu przesunięcia na każdym przewodniku. Jest to jedna z form przeplotu, z którą projektanci powinni być zaznajomieni. Zwykle, kiedy sygnał przełączający indukuje swój sygnał na ścieżce ofiary, nazywamy to przeplotem, ale ten sam mechanizm może indukować szum na dowolnej innej strukturze, gdy występuje pewna pojemność pasożytnicza.

Chociaż nigdy nie można jej całkowicie wyeliminować, istnieją przypadki, kiedy warto próbować ją zmniejszyć. Aby zobaczyć niektóre strategie na zmniejszenie pojemności pasożytniczej, warto przyjrzeć się kilku przykładom.

Przykład: Wysokie węzły dV/dt w regulatorze przełączającym

Przykładowa część regulatora poniżej ilustruje, gdzie znajdowałby się węzeł o silnym dV/dt, a także dlaczego układ ten będzie miał większe sprzężenie zwrotne do swojej pętli sprzężenia zwrotnego, niż do jakiejkolwiek pobliskiej części systemu. W przetwornicy impulsowej, węzeł dV/dt pojawia się na wyjściu ze stopnia przełączającego, ale przed stopniem prostowania/filtrowania. W poniższym przykładzie, węzeł SW_OUT jest naszym węzłem o wysokim dV/dt, sterowanym sygnałem PWM.

Ten węzeł ma pewną pojemność pasożytniczą względem pobliskiego obszaru ziemi. Gdyby w pobliżu znajdowały się jakieś inne komponenty lub obwody, pojemność pasożytnicza do tych obwodów spowodowałaby pojawienie się szumów przełączania w tych obwodach. Pobliska ziemia stanowi pewną pomoc, ale prawdziwym czynnikiem zapobiegającym sprzężeniu szumów jest kondensator podłączony od SW_OUT z powrotem do układu scalonego regulatora. Ten duży kondensator zapewnia ścieżkę o niskiej impedancji dla wysokiego dV/dt szumu przełączania z powrotem do wysokiej strony stopnia przełączającego, co skutecznie odłącza wyjście stopnia przełączającego od GND.

Inna strategia, która pomaga zmniejszyć pojemność pasożytniczą między SW_OUT a pobliską ścieżką lub obwodem, polega na wykorzystaniu płaszczyzny GND na następnej warstwie. Przybliżenie płaszczyzny GND do węzła o wysokim dV/dt zmniejszy wzajemną pojemność poprzez silniejsze sprzężenie pola elektrycznego z GND w porównaniu do sprzężenia z jakimś innym węzłem w układzie PCB. Innymi słowy, wolałbyś cieńszy dielektryk między L1 a L2 na tej płytce.

Przykład: Wzajemna pojemność między dwoma ścieżkami

Pojemnościowe sprzężenie przejściowe to jeden z dwóch typów sprzężeń (drugim jest indukcyjne) między ścieżkami, gdzie sygnał na jednej ścieżce może generować szum na innej ścieżce. Przy coraz wyższych częstotliwościach, dominuje to przez wzajemną pojemność. W układzie PCB, zakładając, że prowadziłeś trasowanie nad regionem GND, co jest najlepszą praktyką, masz w zasadzie dwie opcje zmniejszenia tego rodzaju pojemności pasożytniczej:

• Zbliż masę do ścieżek jednocześnie zwężając ścieżki (stały cel impedancji)
• Zwiększ odstępy między ścieżkami

Prawie każda rekomendacja, którą znajdziesz na temat redukcji przeplotów, będzie polecać opcję nr 2, ale opcja nr 1 jest tak samo skuteczna. Dzieje się tak, ponieważ zbliża to ładunek/ prąd obrazu w płaszczyźnie GND bliżej ścieżki. Tego, czego nie powinieneś robić, to próbować czegoś takiego jak skrócona ścieżka ochronna, ponieważ stworzy to niepożądaną pojemność pasożytniczą do GND i może faktycznie zwiększyć przeplot w niektórych konfiguracjach.

Podsumowanie

Dla samo-pojemnościowej formy pojemności pasożytniczej, będziesz musiał oddzielić przewodniki lub uczynić przewodniki mniejszymi. Dla wzajemnie-pojemnościowej formy pojemności pasożytniczej, musisz zmniejszyć sprzężenie poprzez zwiększenie samo pojemności znacznie ponad wzajemną pojemność. W powyższym przykładzie zobaczyliśmy, że po prostu zbliżając płaszczyznę masy do naszych wzajemnie-pojemnościowych ścieżek znacznie redukuje ich wzajemną pojemność bez wprowadzania jakichkolwiek innych zmian w przewodnikach na układzie PCB.

Po zidentyfikowaniu ważnych sieci, w których dV/dt może generować hałaśliwe prądy w Twojej układzie, możesz dokonać precyzyjnych zmian na płytce przy użyciu narzędzi CAD w Altium Designer®. Ty i Twój zespół będziecie mogli pozostać produktywni i efektywnie współpracować nad zaawansowanymi projektami elektroniki za pomocą platformy Altium 365™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, znajdziesz w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.