Овладение контролем ЭМИ в дизайне печатных плат: Стратегии развязки для сети распределения питания

Добро пожаловать в пятую статью нашей серии, Освоение контроля за электромагнитными помехами (EMI) в дизайне печатных плат. В этой статье мы более подробно рассмотрим стратегии распределения питания и обсудим, как их оптимизировать для улучшения характеристик электромагнитных помех в ваших проектах печатных плат.

Рисунок 1 - Пример стратегии развязки в Altium Designer^®

Ключевым фактором в контроле EMI и улучшении целостности сигнала на цифровой печатной плате является реализация эффективных стратегий развязки. Эти подходы обеспечивают чистое и стабильное энергоснабжение для интегральных схем (IC) на вашей плате.

Для достижения этого дизайнерам печатных плат необходимо создать мощную сеть распределения энергии (PDN), которая удовлетворяет энергетические потребности быстро переключающихся IC, обеспечивая им получение необходимого количества тока от источника питания. Проектирование PDN, которая эффективно и вовремя доставляет энергию, может быть сложной задачей. Это требует снижения потерь и удовлетворения потребностей в импедансе для высокой производительности.

По мере увеличения скоростей передачи данных и сигналов, проектирование сети питания (PDN) с низким импедансом становится все более важным и в то же время более сложным. Это связано с тем, что профиль импеданса тесно связан с частотой передаваемых сигналов. Балансировка этих факторов является ключевой для поддержания хорошей работы ваших печатных плат и минимизации проблем с электромагнитными помехами (EMI). В проектировании эффективной сети питания (PDN) используются различные общепринятые методики, такие как включение развязывающих конденсаторов или использование силовых плоскостей и медных полигонов в стеке.

Однако, некоторые широко принятые методы и мифы оказались не только неэффективными, но и вредными для производительности платы.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Антирезонанс

Одна популярная техника включает использование нескольких конденсаторов разного размера, обычно варьирующихся от 10нФ до 1мкФ. Идея заключается в том, что большие конденсаторы обеспечивают энергией интегральные схемы (IC), в то время как маленькие конденсаторы фильтруют высокочастотные помехи. Хотя этот подход кажется логичным, на практике он может обернуться против вас, когда речь идет о снижении общего импеданса PDN. Причина, по которой это может быть контрпродуктивно, заключается в том, что реальные конденсаторы не ведут себя идеально; у них есть паразитные эффекты, которые становятся значительными на более высоких частотах.

Конденсаторы демонстрируют емкостное сопротивление только до своей резонансной частоты. После этого паразитные элементы в корпусе конденсатора начинают влиять на сопротивление, заставляя конденсаторы вести себя более индуктивно. Использование конденсаторов различных размеров в попытке достичь более высокой общей емкости и более низкого сопротивления может представлять значительные трудности. Это связано с тем, что каждый конденсатор имеет свой уникальный профиль сопротивления, который зависит от его уникальных характеристик. Каждый конденсатор также обладает различной резонансной частотой, что приводит к ситуации, когда эти профили сопротивления перекрываются друг с другом. Это перекрытие профилей сопротивления приводит к появлению пиков сопротивления на определенных частотах. Эти пики возникают из-за взаимодействия различных резонансных частот конденсаторов.

Рисунок 2 - Антирезонанс — Эффект от параллельного соединения конденсаторов разного размера с разными профилями сопротивления. Источник: fresuelectronics.com

В результате, совместное воздействие этих различных резонансных частот может создать области повышенного сопротивления, что может негативно сказаться на общей производительности PDN и эффективности стратегии развязки.

Чтобы решить эту проблему, лучше использовать конденсаторы типа Surface-Mount Device (SMD) одного типа и корпуса с минимально возможной индуктивностью выводов. Размещение этих конденсаторов параллельно помогает удовлетворить требования к емкости, одновременно минимизируя индуктивность на высоких частотах. Кроме того, чередование полярностей выводов конденсаторов может уменьшить взаимную индуктивность и снизить общую индуктивность сети питания.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Размещение конденсаторов

Когда речь идет о размещении развязывающих конденсаторов, важно учитывать проблему индуктивности, которая становится все более значимой по мере увеличения частоты сигналов. Чтобы снизить ее, конденсаторы следует размещать как можно ближе к выводам питания интегральных схем (IC), потребляющих ток для своей работы. Размещая конденсаторы рядом с IC, мы можем минимизировать расстояние, которое должен пройти ток, тем самым уменьшая индуктивные эффекты, которые могут снижать производительность на высоких частотах.

В данном контексте основное внимание дизайнера не должно ограничиваться только физическим расстоянием, которое должен пройти ток, а скорее они должны тщательно рассмотреть точный путь следования тока. Хотя уменьшение расстояния между развязывающим конденсатором и контактом, к которому он подключен, важно, основная причина этого заключается в минимизации паразитной индуктивности, связанной с дорожками. Это близкое размещение помогает обеспечить, чтобы конденсаторы могли эффективно поставлять необходимый заряд интегральным схемам, помогая стабилизировать питание и поддерживать целостность сигнала.

Рисунок 3 - Пример размещения развязывающего конденсатора рядом с ИС в Altium Designer

Оптимизируя путь, а не просто сокращая его, дизайнер может обеспечить, чтобы ток тек наиболее эффективным образом, снижая потенциал электромагнитных помех (EMI) и улучшая общую производительность схемы.

Таким образом, правильное планирование пути может быть так же критичным, как и минимизация самого расстояния, поскольку оба напрямую влияют на паразитные эффекты, которые могут нарушить стабильность и функциональность схемы.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Помимо обеспечения размещения конденсаторов в непосредственной близости от интегральных схем (ИС), настоятельно рекомендуется выбирать конденсаторы с наименьшим возможным эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). ESR является критическим параметром, поскольку он напрямую влияет на эффективность конденсатора в фильтрации высокочастотных помех. Низкий ESR снижает общее сопротивление между конденсатором и контактами питания ИС, что позволяет более эффективно подавлять колебания напряжения и шум на линиях питания. Кроме того, конденсаторы с низким ESR обычно демонстрируют лучшую производительность в более широком диапазоне частот, что дополнительно способствует снижению электромагнитных помех (EMI) и улучшению общей целостности питания конструкции.

Силовые слои

При проектировании многослойной печатной платы (PCB) настоятельно рекомендуется размещать пару силовых и возвратных опорных плоскостей, часто называемых "земляными" плоскостями, близко друг к другу в стеке. Размещение этих плоскостей в непосредственной близости увеличивает распределенную емкость между ними, что, в свою очередь, снижает общее сопротивление сети распределения питания (PDN).

Идеальная конфигурация предполагает размещение слоев сигналов рядом с плоскостью возврата, которая обычно называется «Земля сигнала». Такое стратегическое размещение позволяет току возврата течь с минимальной площадью петли, что помогает ограничить электромагнитные поля, генерируемые сигналами, тем самым контролируя электромагнитные помехи (EMI) и снижая шум. Эта конфигурация значительно улучшает целостность сигнала, поскольку минимизирует перекрестные помехи и электромагнитную связь между дорожками, обеспечивая высокое качество сигнала и надежную связь по всей печатной плате. На противоположной стороне плоскости возврата должна располагаться плоскость питания. Такое расположение гарантирует, что плоскость питания может эффективно снабжать энергией интегральные схемы (ИС) без помех от шума, вызванного быстропереключающимися сигналами. Разделяя плоскость питания от слоев сигналов, сохраняя при этом близость к плоскости возврата, можно уменьшить связь помех и создать стабильную среду для доставки питания, в конечном итоге способствуя эффективной работе всей схемы. Такое расположение улучшает как целостность питания, так и целостность сигнала, что делает его фундаментальной практикой проектирования для высокопроизводительных многослойных печатных плат.

Рисунок 4 - Пример оптимизированного состава из 6 слоев с Altium Designer^®

Использование локализованных конденсаторов, размещенных рядом с питающими выводами ИС, а также наличие близко расположенных слоев питания и земли обеспечивает полное решение. Эта комбинация улучшает сеть распределения питания, снижает электромагнитные помехи (EMI) и поддерживает лучшее качество сигнала по всей плате. Кроме того, такой подход помогает равномернее распределять питание по всей печатной плате и снижает индуктивность, которая могла бы возникнуть при использовании традиционного метода маршрутизации питания.

Сочетая хорошо размещенные конденсаторы с плотно расположенными слоями питания и земли, вы создаете более надежную и эффективную систему распределения питания, обеспечивая хорошую работу вашей печатной платы и защиту от помех.

Впереди нас ждет статья о предотвращении перекрестных помех. Мы рассмотрим стратегии минимизации взаимных помех между сигналами и обеспечения чистой, надежной связи в ваших проектах печатных плат, с особым вниманием к лучшим практикам по EMI. Чтобы не пропустить, подписывайтесь на страницы и социальные сети Altium, чтобы оставаться в курсе ценных идей и практических советов для улучшения ваших проектов.

Заключение

При работе над сложными проектами печатных плат Altium Designer^® предлагает комплексный набор инструментов, который может значительно упростить процесс для дизайнеров печатных плат и помочь вам создать эффективную сеть питания (PDN). Одной из ключевых функций Altium Designer^® является Менеджер стека слоев. Этот инструмент помогает вам выбрать оптимальную конфигурацию стека для вашей печатной платы, исходя из конкретных потребностей вашей системы.

Кроме того, Altium Designer® включает в себя мощные интегрированные инструменты, которые позволяют выполнять детальные симуляции вашей сети питания. Эти симуляции помогают анализировать и принимать обоснованные решения о том, как эффективно улучшить дизайн вашей платы.

Чтобы поднять ваши проекты дизайна печатных плат на новый уровень и воспользоваться этими передовыми инструментами, мы призываем вас начать бесплатную пробную версию Altium Designer^® и Altium 365^™.

Это даст вам возможность на собственном опыте убедиться, как этот полноценный инструмент CAD может улучшить ваши возможности проектирования и привести к более эффективным и действенным дизайнам печатных плат.