Руководство по размещению разделительных и обходных конденсаторов

Проблемы с энергетической целостностью обычно рассматриваются с точки зрения источника питания, но так же важно смотреть на выходные данные с интегральных схем. Компенсационные и обходные конденсаторы предназначены для компенсации колебаний мощности, наблюдаемых на PDN, что обеспечивает постоянство уровней сигналов и постоянное напряжение на контактах питания/земли на интегральной схеме. Мы собрали некоторые важные рекомендации по дизайну компенсационных и обходных конденсаторов, чтобы помочь вам успешно использовать эти компоненты в вашей следующей печатной плате. В этом блоге мы рассмотрим различия между обходными и компенсационными конденсаторами.

Две связанные проблемы энергетической целостности

Конденсаторы развязки и обходные конденсаторы используются для решения двух различных проблем целостности питания. Хотя эти проблемы целостности питания связаны между собой, они проявляются по-разному. Первое, на что стоит обратить внимание, это то, что термины «конденсатор развязки» и «обходной конденсатор», используемые для целостности питания, являются неправильными; они ничего не развязывают и не обходят. Они также не передают «шум» на землю; они просто заряжаются и разряжаются со временем, чтобы компенсировать колебания шума. Эти термины относятся к функциям этих конденсаторов как части стратегии целостности питания.

Во-первых, рассмотрим разделительные конденсаторы. Обычно говорят, что цель размещения разделительных конденсаторов на печатной плате заключается в том, чтобы обеспечить постоянство напряжения между шиной/плоскостью питания и земляной плоскостью на фоне низкочастотных помех в источнике питания, колебаний в PDN и любых других колебаний напряжения в PDN. Когда разделительный конденсатор размещается между плоскостями питания и земли, он находится параллельно этим плоскостям, что увеличивает общую емкость PDN. По сути, они компенсируют недостаточную емкость между плоскостями и снижают импеданс PDN таким образом, что любые колебания напряжения в PDN минимизируются.

Теперь рассмотрим обходные конденсаторы. Они также предназначены для поддержания постоянного напряжения в сети распределения питания (PDN) и управляющем интегральном схеме (IC), но напряжение, которое они компенсируют, находится между выходным контактом и земляной плоскостью печатной платы. Хотя они размещаются между контактом питания и земляным соединением на интегральной схеме, они выполняют другую функцию, которая заключается в борьбе с отскоком напряжения от конденсатора к земле. Когда цифровая интегральная схема переключается, паразитная индуктивность в соединительном проводе, корпусе и контакте вызывает увеличение напряжения между выходом драйвера и землей. Обходные конденсаторы выдают напряжение, направленное противоположно напряжению отскока к земле, в идеале вызывая суммирование общего колебания напряжения до нуля.

В приведенной выше модели существует замкнутый контур, который включает в себя обходной конденсатор (CB) и паразитную индуктивность L1 на соединении микросхемы/земли. Обратите внимание, что напряжение отскока земли V(GB) измеряется между выходным контактом и плоскостью земли. Оставшиеся индуктивности являются паразитными, которые влияют на время отклика обходного конденсатора для компенсации отскока земли. В идеальной модели напряжение, видимое обходным конденсатором, будет компенсировать напряжение отскока земли, создаваемое паразитной индуктивностью L1 во время переключения.

Рекомендации по размещению обходных конденсаторов

Если посмотреть на то, как происходит отскок конденсатора к земле, должно быть очевидно, где размещать обходные конденсаторы. Из-за паразитной индуктивности в приведенной выше модели схемы, обходной конденсатор следует размещать как можно ближе к выводам питания и земли, чтобы минимизировать эти индуктивности. Это согласуется с рекомендациями, которые вы найдете во многих примечаниях к применению и технических описаниях компонентов.

Есть еще один аспект, связанный с паразитными индуктивностями, который заключается в том, как происходит подключение к микросхеме. Вместо того чтобы проводить короткий трасс от конденсатора к выводам микросхемы, следует подключить конденсатор напрямую к плоскостям питания и земли через переходные отверстия (vias). Обязательно соблюдайте требования к расстоянию между площадками и трассами в этой конфигурации.

Почему это так? Причина в том, что расположение плоскостей земли/питания (при условии, что плоскости находятся на соседних слоях) будет иметь очень низкую паразитную индуктивность. Фактически, это наименьший источник паразитной индуктивности на вашей плате. Возможно, вы сможете реализовать лучшее расположение, если сможете разместить ваш обходной конденсатор на нижней стороне платы.

Руководящие принципы проектирования развязывающих конденсаторов

После того, как вы определите размер развязывающего конденсатора для печатной платы, который вам нужен в вашей PDN, вам нужно будет разместить его где-то, чтобы он мог компенсировать колебания входного напряжения. На самом деле лучше использовать несколько конденсаторов, так как они будут расположены параллельно, и параллельное расположение обеспечит более низкую эффективную последовательную индуктивность. Раньше рекомендации гласили, что вы можете разместить их где угодно на плате. Однако будьте осторожны с этим, так как это может увеличить паразитную индуктивность, наблюдаемую между развязывающим конденсатором и целевым ИС, что увеличивает импеданс PDN и восприимчивость к ЭМП. Вместо этого, для ИС с быстрыми фронтами сигнала, вы должны разместить их ближе к целевому ИС. На изображении ниже показано типичное расположение обходного и развязывающего конденсатора рядом с ИС. Это одно из оптимальных расположений для высокоскоростных схем, так как между конденсаторами и ИС будет очень низкая паразитная индуктивность для всех сигнальных путей.

Обратите внимание, что это вид сбоку и показано, казалось бы, странное расположение контактных площадок, но важны соединения между слоями и поверхностным слоем. Маршрутизация обратно во внутренний слой, а не на поверхностный слой, сводит к минимуму индуктивность петли.

Будьте осторожны с моделированием импеданса PDN

Помните, что импеданс PDN определяет размер любых переходных колебаний напряжения на PDN (измеряемых между питанием и землей). Однако, байпасные конденсаторы также подключены между питанием и землей, так что они тоже являются частью PDN! Размещение байпасных и развязывающих конденсаторов, а также паразитные емкости и индуктивности, в совокупности определят спектр импеданса PDN, создавая сложную структуру резонансов и антирезонансов.

Хотя вы можете найти некоторые инструменты оптимизации PDN в сети, они предполагают, что все паразитные элементы схемы равны нулю, что не соответствует действительности. В модели схемы не имеет значения, как вы располагаете ваши развязывающие/байпасные конденсаторы (от малых к большим или от больших к малым). В реальной компоновке паразитные элементы имеют значение (как было обсуждено выше), особенно для высокоскоростных/низкоуровневых ИС.

С помощью инструментов для разработки схем и компоновки в Altium Designer® вы можете легко реализовать лучшие рекомендации по проектированию обходных и развязывающих конденсаторов на вашей следующей печатной плате. Набор инструментов для моделирования схем поможет вам получить представление о структуре резонанса вашей сети питания. Также у вас будет доступ к широкому спектру инструментов для управления данными компонентов и подготовки к производству, а также информация о выборе между буферным конденсатором и развязывающим конденсатором.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для компоновки, моделирования и планирования производства. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше.