Considerações sobre o Design de PCB de Alta Velocidade: Dicas de Posicionamento e Roteamento de Capacitores de Desacoplamento

Há muitos anos, a maioria dos projetos de placas com os quais eu estava envolvido eram de designs digitais simples. Colocar e rotear capacitores de desacoplamento nesses designs era muito fácil, e muitas vezes a circuitaria era lenta o suficiente para que capacitores cerâmicos não fossem necessários. Na maioria das vezes, considerávamos a colocação e o roteamento de capacitores de desacoplamento mais como uma reflexão tardia do que como uma consideração de design primária. Lembro-me de como alguns engenheiros até me instruíram a “salpicar” capacitores de desacoplamento aqui e ali como se fossem pouco mais do que decorações açucaradas em um bolo. Não parecia haver muita preocupação sobre quantos usar, onde eles deveriam ser colocados ou como deveriam ser conectados.

Mais tarde, à medida que os designs aumentavam em complexidade e velocidade, a necessidade de projetar uma rede de distribuição de energia () na placa também aumentou. Agora, com os requisitos de integridade de sinal de um design de alta velocidade, um projetado de maneira precisa tornou-se imperativo para o melhor desempenho da placa.

Vamos olhar para dicas de PCB de alta velocidade e quais são alguns dos requisitos de colocação de capacitores de desacoplamento no contexto de um design de alta velocidade, e que tipo de estratégias de colocação e roteamento ajudarão você melhor nesse plano de terra.

O que esse capacitor faz?

O que os capacitores de desacoplamento estão fazendo?

Os processadores e outros CI's em uma PCB de alta velocidade exigirão picos acentuados de corrente que a fonte de alimentação não pode fornecer. As fontes de alimentação são projetadas para fornecer uma quantidade de energia nivelada em todo o layout da PCB, em vez de rajadas curtas. Para resolver esse problema, um capacitor de desacoplamento pode ser colocado próximo ao CI para fornecer a corrente necessária para esses picos rápidos. Um capacitor de desacoplamento faz isso armazenando energia e, em seguida, descarregando-a no CI quando ele requer corrente excessiva. Isso dá tempo para a fonte de alimentação responder. Após o pico, o capacitor de desacoplamento é recarregado e está pronto para o próximo ciclo.

Os capacitores de desacoplamento também são importantes para reduzir o salto de terra que pode vir de dispositivos digitais que têm tempos de comutação mais rápidos. Os capacitores de desacoplamento também são usados para filtrar o ruído de baixa frequência causado pela fonte de alimentação e são úteis com outras questões de integridade de sinal e EMI também.

Quantos capacitores de desacoplamento devem ser usados?

A quantidade de capacitores de desacoplamento necessária para um projeto dependerá em relação aos dispositivos aos quais eles são atribuídos e quantos desses estão sendo usados. Capacitores de grande porte na faixa de 10uF geralmente são usados para cada queda de tensão na placa de circuito. Eles devem ser posicionados onde a tensão é desenvolvida ou onde entra na placa de circuito. Em alguns dispositivos, eles são usados em conjunto com capacitores de desacoplamento de alta velocidade.

Em geral, pelo menos um capacitor de desacoplamento de alta velocidade na faixa de 0.1uF deve ser colocado por cada CI. Eles devem ser colocados o mais próximo possível de seus respectivos CI para fornecer corrente imediatamente. Recomendo que dispositivos com múltiplos pinos de alimentação devam ter pelo menos um capacitor de desacoplamento para cada pino de alimentação. Embora isso vá ocupar mais espaço na placa de circuito, pode ajudar significativamente a reduzir o ground bounce.

Capacitores e outros em trabalho em uma PCB

Práticas recomendadas para posicionamento e roteamento de capacitores de desacoplamento

Como mencionei anteriormente, você deve posicionar seus capacitores de desacoplamento o mais próximo possível do dispositivo ao qual eles são atribuídos. Isso pode ser embaixo do dispositivo no lado oposto do layout da PCB, ou apenas fora dos pinos aos quais o capacitor de desacoplamento está conectado no mesmo lado da placa.

Para circuitos que requerem múltiplos capacitores de desacoplamento colocados próximos ao pino de alimentação de um dispositivo específico, os capacitores devem ser colocados ao lado desse pino em ordem crescente de valor. Por exemplo, se tanto um capacitor de .01uF quanto um de 10uF são especificados para um dispositivo específico, coloque o de .01uF mais próximo ao dispositivo, com o de 10uF mais afastado. Dessa forma, o capacitor de maior capacidade recarregará o capacitor de alta frequência que está mais próximo ao pino do dispositivo.

Quando estiver roteando um capacitor de desacoplamento, você deve começar pelo pino de alimentação ou terra do dispositivo e ir diretamente para o pino do capacitor. A partir daí, a rota pode continuar até uma via conectando-a ao plano de alimentação ou terra. Você também deve usar uma trilha de PCB tão curta e larga quanto possível para conectar o capacitor de desacoplamento, e usar o máximo de vias possível para conectar ao plano de alimentação ou terra.

A colocação e roteamento dos seus capacitores de desvio para a melhor rede de distribuição de energia possível é uma parte importante do seu projeto de PCB de alta velocidade. As dicas que foram discutidas aqui darão a você um bom começo, e há outros recursos disponíveis para você também. Softwares de PCB, como o Altium Designer^®, possuem ferramentas de análise DC, como o PDN Analyzer^™ . Estas permitem que você analise e resolva problemas na rede de distribuição de energia durante o layout do PCB antes de construir uma placa real.

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