O Papel de um Desacoplamento, Indutores e Resistência em uma PDN

Você pode querer adicionar um desses componentes à sua rede de desacoplamento

Em um artigo anterior, examinamos o papel dos capacitores de desacoplamento, bem como a diferença entre desacoplamento e bypass. Um capacitor de desacoplamento, às vezes chamado de capacitor de desacoplamento RF, fornece as mesmas funções que um capacitor de bypass, mas também oferece outra função importante, compensando as mudanças no potencial de terra quando um CI comuta.

Há outro ponto importante envolvido no projeto da sua PDN para garantir a integridade da energia. Este é o papel da indutância ao projetar sua PDN. Em designs de alta velocidade (o que é todo design hoje em dia), o circuito de desacoplamento é geralmente puramente capacitivo, até que você comece a olhar para frequências suficientemente altas. Agora há a indutância que pode produzir uma grande resposta transitória na PDN. Isso levanta duas questões:

1. Uma vez que a energia em uma PDN pode exibir alguma resposta transitória com indutância, podemos garantir que a resposta seja criticamente amortecida?
2. Se a resposta para #1 for "Não", podemos garantir que a perturbação de tensão devido à corrente desenhada para a PDN seja minimizada?

A resposta para a #1 é "Sim", mas como veremos, seguir o caminho da #2 é mais prático e é a prática padrão na indústria. Como veremos, tentar a #1 nos dá a chance de aprender bastante sobre capacitores reais, indutância em uma PDN e o que é desacoplamento.

Qual é o Objetivo de uma Rede de Desacoplamento PDN?

Projetar uma rede de desacoplamento não é uma tarefa simples. Com circuitos de frequência mais baixa, usar um capacitor de desacoplamento RF era suficiente para o desacoplamento. A frequência de ressonância própria de muitos capacitores menores ainda era um pouco mais alta do que a frequência de corte para muitas famílias lógicas, portanto, seria difícil levar um barramento de energia à ressonância durante a comutação. Além disso, os capacitores de desacoplamento também atuariam como um capacitor de bypass para compensar possíveis mudanças à medida que os ICs comutassem.

Com famílias de lógica mais rápidas, as frequências de corte podem agora coincidir com a frequência de ressonância própria do circuito equivalente formado pelo capacitor de desacoplamento/bypass, o barramento de desacoplamento da fonte de alimentação, quaisquer capacitores de desacoplamento/bypass próximos, condutores que conectam componentes e os próprios componentes. Isso cria o potencial para oscilações no barramento de alimentação com circuitos de alta velocidade à medida que as portas lógicas comutam. Sob comutação repetida, isso causaria uma oscilação ressonante impulsionada no barramento de alimentação com alta amplitude. Assim como ocorreu com salto de terra, uma única saída de comutação em um CI pode não ter muito efeito, mas muitos componentes comutando simultaneamente podem produzir oscilações significativas no barramento de alimentação e grandes mudanças no nível de tensão visto nos pinos de alimentação de um CI.

Por essa razão, a indutância em uma PDN é vista como algo negativo: ela cria uma impedância maior em todo o espectro de impedância da PDN além de um determinado limite de frequência. Uma alta impedância de banda larga é ruim para sinais digitais de banda larga, pois esses sinais transformarão a corrente transitória em uma voltagem maior em toda a largura de banda do sinal. Com uma alta demanda de corrente, o ringing em um barramento de energia pode exceder as tolerâncias nos níveis de tensão do núcleo perto de uma das frequências de ressonância na PDN. Algumas diretrizes sugerem adicionar um indutor de desacoplamento, um capacitor e, às vezes, um resistor de PCB para manter o ringing dentro dos limites. Vale a pena analisar exatamente como a indutância afeta o barramento de energia e o ringing, e como seria uma PDN "criticamente amortecida".

Como Suprimir o Ringing em uma PDN com uma Rede de Desacoplamento

Como discutido no artigo anterior, o modelo RLC equivalente para o capacitor de desacoplamento RF pode estar subamortecido, e você pode tentar trazer este circuito o mais próximo possível do caso criticamente amortecido. No entanto, você precisará considerar todo o circuito equivalente para o capacitor de desacoplamento e o restante do sistema.

Idealmente, você quer suprimir o ringing de algumas maneiras:

1. Amortecer criticamente ou superamortecer a resposta no barramento de energia. Isso é relativamente simples, pois requer a adição de alguns passivos (indutor de PCB, resistor de PCB e capacitor) para modificar as condições de ressonância.
2. Adicione componentes que desloquem a frequência de ressonância em qualquer parte do circuito de desacoplamento para valores que estão fora do espectro de potência para o sinal de comutação. O leitor astuto provavelmente notará que isso é apenas uma reformulação do ponto #1
3. Adicione mais capacitores com diferentes frequências de ressonância em paralelo para tentar suavizar todo o espectro de impedância da PDN. As partes de baixa impedância sobrepostas devem combinar para fornecer uma impedância suficientemente baixa em toda a largura de banda do sinal.

#1 e #2 podem ser adequados para uma PDN analógica, pois você só deve se preocupar com o que acontece dentro de uma largura de banda muito estreita. #3 é mais importante para componentes digitais, que possuem uma largura de banda ampla.

A Perspectiva de Amortecimento

Esses três métodos são de certa forma mutuamente exclusivos. Adicionar um indutor de desacoplamento em série entre o capacitor de desacoplamento RF e um CI aumentará a impedância vista por quaisquer sinais de alta frequência (incluindo um sinal de ressonância) propagando em direção à carga, mas também diminuirá a frequência de ressonância. Adicionalmente, isso diminuirá a constante de amortecimento em um nível maior, uma vez que a frequência de ressonância é apenas inversamente proporcional à raiz quadrada da indutância. Portanto, se a resposta do circuito de desacoplamento já estiver superamortecida, adicionar um indutor de PCB em série entre o capacitor de desacoplamento e o desacoplamento da carga pode trazer a resposta mais próxima do amortecimento crítico.

Se a resposta vista na trilha de alimentação já estiver subamortecida, então você precisa aumentar a constante de amortecimento e diminuir a amplitude do ressoar. Uma maneira simples é usar um capacitor com uma resistência equivalente em série (ESR) maior. Note que os capacitores eletrolíticos tendem a ter valores de ESR maiores. A outra opção é adicionar um resistor de desacoplamento e um indutor de desacoplamento antes do CI relevante, conforme mostrado no circuito abaixo:

Circuito completo de desacoplamento com um capacitor de bypass

Note que L no modelo acima é igual à indutância do condutor (por exemplo, indutância do plano de potência) levando à carga mais o valor do indutor de desacoplamento. A constante de amortecimento na rede RLC equivalente formada pela carga, capacitor de desacoplamento, L e R é igual ao valor usual para um circuito em série RLC. Adicionar o indutor diminui a frequência de ressonância natural enquanto adicionar um pequeno resistor R pode aumentar o amortecimento no circuito. Quando R é igual ao valor crítico mostrado acima, então a resposta transitória neste circuito pode ser criticamente amortecida.

Resistores de PCB são ótimos para adicionar amortecimento. Infelizmente, você perde potência, então um resistor de desacoplamento só é bom quando tem um valor baixo para que não caia muita tensão. Uma maneira alternativa de olhar para o amortecimento seria retirar o resistor de PCB e apenas considerar a capacitância de desacoplamento/bypass com qualquer indutância entre estes e a carga.

Uma Rede de Desacoplamento Alternativa

A rede mostrada acima aumentará a queda de tensão DC ao longo da PDN, portanto, existe uma rede de desacoplamento alternativa que se aproxima do amortecimento crítico:

Rede de desacoplamento alternativa com um capacitor de bypass

Essas equações indicam quais são os limites para as capacitâncias de bypass e desacoplamento para determinados valores de ESR, ESL e L, o que proporcionará um amortecimento crítico. Note que L pode não ser necessariamente um indutor real; poderíamos estar olhando para a indutância do trilho de alimentação, embora, nesse caso, teríamos R se aproximando de zero e ESR controlado abaixo de um determinado valor.

Neste circuito de desacoplamento, a resistência crítica é a mesma que a mostrada na rede anterior. No entanto, também há uma restrição nos valores dos capacitores de desacoplamento e bypass (mostrados acima). Aumentar a resistência de amortecimento entre os limites mostrados acima fará com que a resposta se mova para o regime superamortecido, diminuindo assim a resposta geral do capacitor de desacoplamento RF.

O Papel da Impedância da PDN

É importante lembrar o papel da indutância em qualquer PDN, seja como um elemento parasita ou intencionalmente colocado. A perspectiva do circuito afirma que um capacitor de desvio colocado entre os pinos de alimentação e terra na carga fornecerá um caminho de baixa impedância para a terra para altas frequências, basicamente reduzindo a impedância total do PDN abaixo da frequência de auto-ressonância do capacitor e fazendo com que o PDN pareça um filtro passa-baixa. A indutância é contraproducente e eventualmente torna a impedância puramente indutiva.

Isso deve ilustrar o ponto de colocar capacitores de desacoplamento RF no PDN junto com capacitores de desvio perto de grandes ICs. Os capacitores de desacoplamento fornecem um conjunto de elementos de baixa impedância em paralelo, para criar uma impedância geral baixa no PDN.

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