Как уменьшить паразитную емкость в компоновке печатной платы

Шум в электронной системе может иметь множество форм. Будь то шум, полученный из внешнего источника, или передача шума между различными областями на плате печатной схемы, шум может быть непреднамеренно получен двумя способами: за счет паразитной емкости и паразитной индуктивности. Паразитная индуктивность довольно проста для понимания и диагностики, как с точки зрения перекрестных помех, так и с точки зрения связывания кажущегося случайного шума между различными секциями платы.

Паразитная емкость не обязательно сложнее в обращении, но требует понимания того, как геометрия размещения печатной платы будет влиять на взаимную емкость. В системах, работающих на высоких частотах или там, где узлы с высоким dV/dt могут создавать связывание шума за счет емкости, некоторые простые выборы в размещении печатной платы могут помочь вам уменьшить паразитные эффекты. В этой статье я в общих чертах опишу, как уменьшить паразитную емкость и приведу несколько примеров для маршрутизации на высоких частотах, а также для коммутационного преобразователя.

Выявление и уменьшение паразитной емкости

Хотя универсальной формулы для паразитной емкости нет, у нее есть общее определение:

• Паразитная емкость - это непреднамеренная емкость (и, как правило, нежелательная), которая существует между двумя проводящими структурами, разделенными изолятором.

Иногда это непреднамеренное емкостное сопротивление на самом деле может быть полезным, и в таких случаях мы не используем термин «паразитное» для его описания. Возьмем, к примеру, пару плоскостей питания и земли; эта простая структура помогает обеспечить большой резервуар заряда для поддержки компонентов с высокой скоростью и большим количеством ввода/вывода из-за ее врожденной емкости. Другой пример - копланарный волновод, где вы по сути используете паразитную емкость для установки импеданса межсоединения до требуемого значения.

На печатной плате паразитная емкость может появляться практически везде. Посмотрите на приведенную ниже компоновку; я выделил некоторые области, где паразитная емкость выражена особенно ярко. Это показывает только емкость, создаваемую на верхнем слое, но емкость может быть на любом слое.

Как предполагает определение выше, паразитная емкость возникает между любой парой проводников, разделенных диэлектриком, и мы можем быстро определить множество областей, где появляется паразитная емкость в приведенном выше примере. Всякий раз, когда у вас есть паразитная емкость в компоновке печатной платы, она может возникать двумя способами:

• Как собственная емкость, которая проявляется как высокая нежелательная емкость между проводником и другим проводником (обычно GND).
• Взаимная емкость между двумя проводящими структурами, каждая из которых соединена с третьей проводящей структурой; это фактически форма емкости, которая вызывает емкостную связь между двумя дорожками.

Почему важна высокая паразитная емкость? Это важно, потому что всякий раз, когда между двумя емкостно связанными проводниками происходит изменение потенциала, это вызывает протекание некоторого смещающего тока на каждом проводнике. Это одна из форм перекрестных помех, с которыми должны быть знакомы конструкторы. Обычно, когда коммутирующий сигнал индуцирует свой сигнал на пострадавшей дорожке, мы называем это перекрестными помехами, но тот же механизм может индуцировать шум на любой другой структуре, когда есть некоторая паразитная емкость.

Хотя вы никогда полностью не избавитесь от нее, есть случаи, когда попытаться уменьшить ее будет полезно. Чтобы увидеть некоторые стратегии по уменьшению паразитной емкости, полезно рассмотреть некоторые примеры.

Пример: Узлы с высоким dV/dt в коммутирующем регуляторе

Пример части регулятора ниже иллюстрирует, где будет расположен узел с высоким dV/dt, а также почему данная схема будет иметь большее взаимное влияние на свою обратную связь, чем на любые близлежащие части системы. В ключевом регуляторе узел dV/dt появляется на выходе из ключевой стадии, но перед стадией выпрямления/фильтрации. В примере ниже узел SW_OUT является нашим узлом с высоким dV/dt, управляемым сигналом ШИМ.

Этот узел имеет некоторую паразитную емкость по отношению к близлежащей зоне заземления. Если бы рядом были какие-либо другие компоненты или схемы, паразитная емкость этих схем вызвала бы появление помех при переключении в этих схемах. Близлежащее заземление немного помогает, но настоящее, что предотвращает связывание помех, это конденсатор, подключенный от SW_OUT обратно к чипу регулятора. Этот большой конденсатор обеспечивает путь с низким импедансом для высокого dV/dt переключающего шума обратно к высокой стороне ключевой стадии, что эффективно развязывает выход ключевой стадии от GND.

Другая стратегия, которая помогает уменьшить паразитную емкость между SW_OUT и близлежащим проводником или схемой, заключается в использовании земляного слоя на следующем уровне. Приближение земляного слоя к узлу с высоким dV/dt уменьшит взаимную емкость за счет создания более сильной связи электрического поля с GND по сравнению со связью с каким-либо другим узлом на плате. Другими словами, вы бы предпочли более тонкий диэлектрик между L1 и L2 на этой плате.

Пример: Взаимная емкость между двумя проводниками

Емкостная перекрестная помеха является одним из двух типов связи (другим является индуктивная) между проводниками, при которой сигнал на одном проводнике может создавать шум на другом. С увеличением частоты это в основном определяется взаимной емкостью. В компоновке печатной платы, если вы проложили маршрут над областью GND, как это рекомендуется, у вас, по сути, есть два варианта для уменьшения этого типа паразитной емкости:

• Приблизьте землю к дорожкам, делая дорожки уже (цель по фиксированному импедансу)
• Увеличьте расстояние между дорожками

Практически в каждом рекомендации по уменьшению перекрестных помех будет рекомендоваться вариант №2, но вариант №1 на самом деле также эффективен. Это связано с тем, что он приближает заряд/ток изображения в плоскости GND к дорожке. То, что вам не следует делать, так это пытаться что-то вроде замкнутой защитной дорожки, так как это создаст нежелательную паразитную емкость к GND, и на самом деле может увеличить перекрестные помехи в некоторых конфигурациях.

Итог

Для самокапацитивной формы паразитной емкости вам нужно разделить проводники или сделать проводники меньше. Для взаимно-капацитивной формы паразитной емкости вам нужно уменьшить связь, увеличив самокапацитивность значительно выше, чем взаимная емкость. В приведенном выше примере мы видели, что простое приближение плоскости земли к нашим взаимно-капацитивным дорожкам значительно уменьшает их взаимную емкость без каких-либо других изменений в проводниках на макете печатной платы.

После того, как вы определите важные сети, в которых изменение напряжения со временем (dV/dt) может вызвать шумные токи в вашей плате, вы сможете внести точные изменения в плату, используя инструменты CAD в Altium Designer. Вы и ваша команда сможете оставаться продуктивными и эффективно сотрудничать над сложными проектами электроники через платформу Altium 365. Все, что вам нужно для проектирования и производства сложной электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только затронули поверхность того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365.Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.