Rola elementów odsprzęgających, dławików i rezystancji w sieci dystrybucji zasilania

Możesz chcieć dodać jeden z tych komponentów do swojej sieci odsprzęgającej

W poprzednim artykule przyjrzeliśmy się roli kondensatorów odsprzęgających, a także różnicy między odsprzęganiem a omijaniem. Kondensator odsprzęgający, czasami nazywany kondensatorem odsprzęgającym RF, pełni te same funkcje co kondensator omijający, ale pełni również inną ważną funkcję, polegającą na kompensowaniu zmian potencjału ziemi w momencie przełączania układu IC.

Jest jeszcze jeden ważny punkt związany z projektowaniem PDN, który zapewnia integralność zasilania. Chodzi o rolę indukcyjności przy projektowaniu PDN. W projektach o wysokiej prędkości (które są dzisiaj standardem w każdym projekcie) obwód odsprzęgający jest zazwyczaj czysto pojemnościowy, dopóki nie zaczniemy patrzeć na wystarczająco wysokie częstotliwości. Teraz pojawia się indukcyjność, która może wywołać dużą reakcję przejściową w PDN. Prowadzi to do dwóch pytań:

1. Ponieważ zasilanie w PDN może wykazywać pewną reakcję przejściową z indukcyjnością, czy możemy upewnić się, że reakcja jest odpowiednio stłumiona?
2. Jeśli odpowiedź na pytanie nr 1 brzmi "Nie", czy możemy zapewnić, że zakłócenie napięcia spowodowane prądem wchodzącym do PDN będzie zminimalizowane?

Odpowiedź na pytanie nr 1 brzmi "Tak", ale jak się przekonamy, podejście do pytania nr 2 jest bardziej praktyczne i stanowi standardową praktykę w branży. Jak zobaczymy, próba odpowiedzi na pytanie nr 1 daje nam szansę na naukę o rzeczywistych kondensatorach, indukcyjności w PDN oraz czym jest odsprzęganie.

Jaki jest cel sieci odsprzęgającej PDN?

Projektowanie sieci odsprzęgającej nie jest prostym zadaniem. W przypadku obwodów o niższej częstotliwości, użycie kondensatora RF do odsprzęgania było wystarczające. Częstotliwość rezonansowa wielu mniejszych kondensatorów była nadal dość wysoka w porównaniu z częstotliwością graniczną dla wielu rodzin logiki, więc trudno byłoby doprowadzić magistralę zasilającą do rezonansu podczas przełączania. Ponadto, kondensatory odsprzęgające działałyby również jako kondensatory bypassujące, kompensując potencjalne zmiany, gdy układy scalone były przełączane.

Z szybszymi rodzinami logiki, częstotliwości kolana mogą teraz pokrywać się z częstotliwością rezonansową własną układu równoważnego, tworzonego przez kondensator omijania/dekuplujący, magistralę dekuplującą zasilanie, wszelkie pobliskie kondensatory omijania/dekuplujące, przewodniki łączące komponenty oraz same komponenty. Tworzy to potencjał do występowania dzwonienia w magistrali zasilającej przy wysokich prędkościach obwodów, gdy bramki logiczne przełączają się. Przy powtarzającym się przełączaniu, mogłoby to spowodować napędzaną rezonansową oscylację w magistrali zasilającej o dużej amplitudzie. Podobnie jak miało to miejsce w przypadku odbicia masy, pojedyncze przełączenie wyjścia na układzie scalonym może nie mieć dużego wpływu, ale jednoczesne przełączanie wielu komponentów może wywołać znaczące dzwonienie w magistrali zasilającej i duże zmiany poziomu napięcia obserwowane na pinach zasilania układu scalonego.

Z tego powodu indukcyjność w PDN jest postrzegana jako coś złego: tworzy ona wyższą impedancję w całym spektrum impedancji PDN po przekroczeniu określonej granicy częstotliwości. Wysoka impedancja szerokopasmowa jest niekorzystna dla szerokopasmowych sygnałów cyfrowych, ponieważ te sygnały przekształcają prąd przejściowy w większe napięcie na całej szerokości pasma sygnału. Przy wysokim poborze prądu, drgania w magistrali zasilającej mogą przekroczyć tolerancje na poziomach napięcia rdzenia w pobliżu jednej z częstotliwości rezonansowych w PDN. Niektóre wytyczne sugerują dodanie induktora sprzęgającego, kondensatora, a czasami rezystora PCB, aby ograniczyć drgania do akceptowalnych wartości. Warto dokładnie przyjrzeć się, jak indukcyjność wpływa na magistralę zasilającą i drgania, oraz jak może wyglądać "krytycznie tłumiony" PDN.

Jak tłumić drgania PDN za pomocą sieci sprzęgającej

Jak omówiono w poprzednim artykule, równoważny model RLC dla kondensatora sprzęgającego RF może być niedotłumiony, i można próbować zbliżyć ten obwód jak najbardziej do przypadku krytycznie tłumionego. Jednakże, należy wziąć pod uwagę cały równoważny obwód dla kondensatora sprzęgającego oraz resztę systemu.

Idealnie, chcesz tłumić drgania na kilka sposobów:

1. Skrytykuj tłumienie lub nadmierne tłumienie odpowiedzi na magistrali zasilającej. Jest to dość proste, ponieważ wymaga dodania niektórych elementów pasywnych (cewka PCB, rezystor PCB i kondensator), aby zmodyfikować warunki rezonansu.
2. Dodaj komponenty, które przesuwają częstotliwość rezonansową w dowolnej części obwodu sprzęgającego na wartości, które znajdują się poza spektrum mocy dla sygnału przełączającego. Bystry czytelnik prawdopodobnie zauważy, że jest to po prostu ponowne stwierdzenie punktu #1
3. Dodaj więcej kondensatorów o różnych częstotliwościach rezonansowych równolegle, aby spróbować wygładzić całe spektrum impedancji PDN. Nakładające się części o niskiej impedancji powinny połączyć się, dając wystarczająco niską impedancję na całej szerokości pasma sygnału.

#1 i #2 mogą być w porządku dla analogowego PDN, ponieważ powinieneś dbać tylko o to, co dzieje się w bardzo wąskim paśmie. #3 jest ważniejsze dla komponentów cyfrowych, które mają szerokie pasmo.

Perspektywa Tłumienia

Te trzy metody są do pewnego stopnia wzajemnie wykluczające. Dodanie dławika odsprzęgającego szeregowo między kondensatorem odsprzęgającym RF a układem scalonym zwiększy impedancję widzianą przez wszelkie sygnały wysokiej częstotliwości (w tym sygnał dzwonienia) propagujące w kierunku obciążenia, ale również obniży częstotliwość rezonansową. Dodatkowo, spowoduje to większe zmniejszenie stałej tłumienia, ponieważ częstotliwość rezonansowa jest tylko odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z indukcyjności. Dlatego, jeśli odpowiedź z obwodu odsprzęgającego jest już nadmiernie tłumiona, dodanie szeregowego dławika PCB między kondensatorem odsprzęgającym a odsprzęganiem obciążenia może przybliżyć odpowiedź do tłumienia krytycznego.

Jeśli odpowiedź obserwowana na szynie zasilającej jest już niedostatecznie tłumiona, wtedy należy zwiększyć stałą tłumienia i zmniejszyć amplitudę dzwonienia. Jednym z prostych sposobów jest użycie kondensatora z większym równoważnym oporem szeregowym (ESR). Należy zauważyć, że kondensatory elektrolityczne mają tendencję do posiadania większych wartości ESR. Inną opcją jest dodanie rezystora odsprzęgającego i dławika odsprzęgającego przed odpowiednim układem scalonym, jak pokazano na poniższym schemacie:

Pełny obwód odsprzęgający z kondensatorem omijającym

Należy zauważyć, że L w powyższym modelu jest równe indukcyjności przewodnika (np. indukcyjność płaszczyzny zasilającej) prowadzącej do obciążenia plus wartość induktora sprzęgającego. Stała tłumienia w równoważnej sieci RLC utworzonej przez obciążenie, kondensator sprzęgający, L i R jest równa zwykłej wartości dla szeregowego obwodu RLC. Dodanie induktora obniża naturalną częstotliwość rezonansową, podczas gdy dodanie małego rezystora R może zwiększyć tłumienie w obwodzie. Gdy R jest równe krytycznej wartości pokazanej powyżej, wtedy odpowiedź przejściowa w tym obwodzie może być krytycznie tłumiona.

Rezystory PCB są świetne do dodawania tłumienia. Niestety, traci się moc, więc rezystor sprzęgający jest dobry tylko wtedy, gdy ma niską wartość, aby nie powodował zbyt dużego spadku napięcia. Alternatywny sposób na rozpatrzenie tłumienia polegałby na usunięciu rezystora PCB i rozważeniu tylko pojemności sprzęgającej/omijającej z jakąkolwiek indukcyjnością między tymi a obciążeniem.

Alternatywna sieć sprzęgająca

Sieć pokazana powyżej zwiększy spadek napięcia stałego w całej PDN, dlatego istnieje alternatywna sieć sprzęgająca, która zbliża się do krytycznego tłumienia:

Alternatywna sieć sprzęgająca z kondensatorem omijającym

Te równania pokazują, jakie są ograniczenia na pojemności bypass i decoupling przy danych wartościach ESR, ESL i L, które zapewnią krytyczne tłumienie. Należy zauważyć, że L nie musi być rzeczywistym induktorem; możemy rozpatrywać indukcyjność szyny zasilającej, chociaż w takim przypadku mielibyśmy R zbliżone do zera i kontrolowane ESR poniżej pewnej wartości.

W tym obwodzie decoupling krytyczny opór jest taki sam, jak pokazano w wcześniejszej sieci. Jednak istnieje również ograniczenie wartości kondensatorów decoupling i bypass (pokazane powyżej). Zwiększenie oporu tłumienia w granicach pokazanych powyżej spowoduje przejście odpowiedzi w reżim nadmiernego tłumienia, co spowolni ogólną odpowiedź z kondensatora RF decoupling.

Rola impedancji PDN

Ważne jest, aby pamiętać o roli indukcyjności w każdej sieci zasilania (PDN), niezależnie od tego, czy jest to element pasożytniczy, czy umieszczony celowo. Punkt widzenia obwodu mówi, że kondensator omijający umieszczony między pinami zasilania a masą na obciążeniu zapewni niską impedancję ścieżki do masy dla wysokich częstotliwości, obniżając w zasadzie całkowitą impedancję PDN poniżej własnej częstotliwości rezonansowej kondensatora i sprawiając, że PDN wygląda jak filtr dolnoprzepustowy. Indukcyjność jest działaniem przeciwnym i ostatecznie sprawia, że impedancja staje się czysto indukcyjna.

To powinno zilustrować punkt umieszczania kondensatorów odsprzęgających RF w PDN wraz z kondensatorami omijającymi w pobliżu dużych układów scalonych. Kondensatory odsprzęgające zapewniają zestaw elementów o niskiej impedancji równolegle, aby stworzyć ogólnie niską impedancję w PDN.

Projektując PDN dla swojej płytki PCB, będziesz potrzebować narzędzi do układania i symulacji w Altium Designer, aby upewnić się, że twoja płyta jest wolna od problemów z integralnością zasilania i integralnością sygnału. Używanie symulacji obwodów pomoże Ci zakwalifikować wybór komponentów i układ, a także pozwoli Ci zobaczyć zachowanie elektryczne w PDN podczas zdarzenia przejściowego.

Skontaktuj się z nami lub pobierz bezpłatną wersję próbną, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Altium Designer. Otrzymasz dostęp do najlepszych w branży narzędzi do trasowania, układania i symulacji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej o rezystorach lub kondensatorach PCB.