Роль развязки, индуктивностей и сопротивления в PDN

Возможно, вы захотите добавить один из этих компонентов в свою сеть развязки

В предыдущей статье мы рассмотрели роль развязывающих конденсаторов, а также разницу между развязкой и обходом. Развязывающий конденсатор, иногда называемый конденсатором RF развязки, выполняет те же функции, что и обходной конденсатор, но также выполняет еще одну важную функцию, заключающуюся в компенсации изменений потенциала земли при переключении ИС.

Есть еще один важный момент, связанный с проектированием вашей PDN для обеспечения целостности питания. Это роль индуктивности при проектировании вашей PDN. В высокоскоростных конструкциях (что сейчас является нормой для всех проектов), схема развязки обычно чисто емкостная, пока вы не начнете рассматривать достаточно высокие частоты. Теперь есть индуктивность, которая может вызвать большой переходной ответ в PDN. Это поднимает два вопроса:

1. Поскольку мощность в PDN может проявлять некоторый переходной ответ с индуктивностью, можем ли мы убедиться, что ответ критически затухает?
2. Если ответ на вопрос №1 - "Нет", можем ли мы обеспечить минимизацию помех напряжения из-за тока, потребляемого в PDN?

Ответ на вопрос №1 - "Да", но, как мы увидим, выбор варианта №2 более практичен и является стандартной практикой в отрасли. Как мы увидим, попытка реализации варианта №1 дает нам возможность узнать многое о реальных конденсаторах, индуктивности в PDN и о том, что такое развязка.

Какова цель сети развязки PDN?

Проектирование сети развязки - не простая задача. В схемах с низкой частотой использование RF развязывающего конденсатора было достаточно для развязки. Собственная резонансная частота многих маленьких конденсаторов все еще была несколько выше частоты изгиба для многих логических семейств, таким образом, было бы сложно вызвать резонанс шины питания во время переключения. Более того, развязывающие конденсаторы также действовали бы как байпасный конденсатор для компенсации потенциальных изменений, когда ИС переключались.

С более быстрыми семействами логики, частоты изгиба теперь могут совпадать с собственной резонансной частотой эквивалентной схемы, образованной конденсатором обхода/развязки, шиной развязки источника питания, любыми близлежащими конденсаторами обхода/развязки, проводниками, соединяющими компоненты, и самими компонентами. Это создает потенциал для возникновения колебаний в шине питания при работе высокоскоростных схем, когда переключаются логические вентили. При повторяющемся переключении это может вызвать вынужденные резонансные колебания в шине питания с высокой амплитудой. Так же, как это было с подпрыгиванием земли, одиночный переключающийся выход на интегральной схеме может не иметь большого эффекта, но множество одновременно переключающихся компонентов может вызвать значительные колебания в шине питания и большие изменения уровня напряжения на контактах питания интегральной схемы.

По этой причине индуктивность в PDN считается плохим фактором: она создает более высокое сопротивление на всем спектре импеданса PDN за пределами определенного частотного предела. Высокий широкополосный импеданс вреден для широкополосных цифровых сигналов, поскольку эти сигналы преобразуют переходный ток в большее напряжение на протяжении всей полосы пропускания сигнала. При высоком потреблении тока, колебания в электропитающей шине могут превысить допуски на уровнях напряжения ядра рядом с одной из резонансных частот в PDN. Некоторые рекомендации предлагают добавление разделительной индуктивности, конденсатора и иногда резистора на печатной плате, чтобы удержать колебания в пределах нормы. Стоит внимательно рассмотреть, как именно индуктивность влияет на электропитающую шину и колебания, и как может выглядеть "критически затухающая" PDN.

Как подавить колебания в PDN с помощью разделительной сети

Как обсуждалось в предыдущей статье, эквивалентная RLC-модель для RF разделительного конденсатора может быть недостаточно затухающей, и вы можете попытаться приблизить эту схему как можно ближе к критически затухающему случаю. Однако вам нужно будет учитывать всю эквивалентную схему для разделительного конденсатора и остальной части системы.

В идеале, вы хотите подавить колебания несколькими способами:

1. Критически затушите или переглушите реакцию на шине питания. Это довольно просто, так как требует добавления некоторых пассивных компонентов (индуктор на ПП, резистор на ПП и конденсатор), чтобы изменить условия для резонанса.
2. Добавьте компоненты, которые сдвигают резонансную частоту в любой части развязывающей цепи к значениям, которые находятся вне спектра мощности для коммутирующего сигнала. Знающий читатель, вероятно, заметит, что это лишь переформулировка пункта №1
3. Добавьте больше конденсаторов с различными резонансными частотами параллельно, чтобы попытаться сгладить весь спектр импеданса PDN. Перекрывающиеся участки с низким импедансом должны объединиться, чтобы обеспечить достаточно низкий импеданс на протяжении всей полосы пропускания сигнала.

№1 и №2 могут быть приемлемы для аналогового PDN, так как вам следует заботиться только о том, что происходит в очень узкой полосе пропускания. №3 более важен для цифровых компонентов, которые имеют широкую полосу пропускания.

Перспектива Демпфирования

Эти три метода в некоторой степени взаимоисключающие. Добавление декаплингового индуктора последовательно между РЧ декаплинговым конденсатором и интегральной схемой (ИС) увеличит импеданс, видимый любыми высокочастотными сигналами (включая сигнал колебаний), распространяющимися в направлении нагрузки, но также уменьшит резонансную частоту. Кроме того, это уменьшит постоянную затухания на больший уровень, поскольку резонансная частота обратно пропорциональна только квадратному корню из индуктивности. Поэтому, если реакция от декаплинговой цепи уже перезатухла, добавление последовательного индуктора на печатной плате между декаплинговым конденсатором и декаплингом нагрузки может приблизить реакцию к критическому затуханию.

Если реакция, наблюдаемая на шине питания, уже недозатухла, тогда вам нужно увеличить постоянную затухания и уменьшить амплитуду колебаний. Один из простых способов - использовать конденсатор с большим значением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Следует отметить, что электролитические конденсаторы, как правило, имеют большие значения ESR. Другой вариант - добавить декаплинговый резистор и декаплинговый индуктор перед соответствующей ИС, как показано на схеме ниже:

Полная декаплинговая схема с обходным конденсатором

Обратите внимание, что L в приведенной выше модели равно индуктивности проводника (например, индуктивность силовой плоскости) ведущей к нагрузке плюс значение разделительного индуктора. Постоянная затухания в эквивалентной сети RLC, образованной нагрузкой, разделительным конденсатором, L и R, равна обычному значению для последовательной цепи RLC. Добавление индуктора снижает естественную резонансную частоту, в то время как добавление небольшого резистора R может увеличить затухание в цепи. Когда R равно критическому значению, указанному выше, то переходной процесс в этой цепи может быть критически затухающим.

Резисторы на печатной плате отлично подходят для добавления затухания. К сожалению, это приводит к потере мощности, поэтому разделительный резистор хорош только тогда, когда он имеет низкое значение, чтобы не вызывать слишком большого падения напряжения. Альтернативный способ рассмотрения затухания заключается в удалении резистора на печатной плате и рассмотрении только разделительной/обходной емкости с любой индуктивностью между ними и нагрузкой.

Альтернативная сеть развязки

Показанная выше сеть увеличит падение постоянного напряжения по всей сети распределения питания (PDN), таким образом, существует альтернативная сеть развязки, которая приближается к критическому затуханию:

Альтернативная сеть развязки с обходным конденсатором

Эти уравнения показывают, каковы пределы для ёмкостей обхода и развязки при заданных значениях ESR, ESL и L, что обеспечит критическое демпфирование. Обратите внимание, что L не обязательно должен быть реальным индуктором; мы можем рассматривать индуктивность силовой шины, хотя в таком случае мы бы имели R, стремящееся к нулю и ESR, контролируемый ниже определённого значения.

В этой схеме развязки критическое сопротивление такое же, как и в ранее рассмотренной сети. Однако также существует ограничение на значения конденсаторов развязки и обхода (показаны выше). Увеличение сопротивления демпфирования в пределах, показанных выше, приведёт к переходу реакции в перерегулированный режим, тем самым замедляя общую реакцию от конденсатора RF развязки.

Роль импеданса PDN

Важно помнить о роли индуктивности в любой сети распределения питания (PDN), будь то паразитный элемент или специально установленный. С точки зрения схемотехники, установка байпасного конденсатора между выводами питания и земли на нагрузке обеспечивает путь с низким импедансом к земле для высоких частот, фактически снижая общий импеданс PDN ниже собственной резонансной частоты конденсатора и делая PDN похожим на фильтр нижних частот. Индуктивность действует контрпродуктивно и в конечном итоге превращает импеданс в чисто индуктивный.

Это должно иллюстрировать важность размещения конденсаторов РЧ-развязки на PDN вместе с байпасными конденсаторами рядом с крупными ИС. Конденсаторы развязки обеспечивают набор элементов с низким импедансом параллельно, создавая в целом низкий импеданс в PDN.

При проектировании PDN для вашей печатной платы вам понадобятся инструменты компоновки и симуляции в Altium Designer, чтобы убедиться, что ваша плата свободна от проблем с энергетической и сигнальной целостностью. Использование симуляций схем поможет вам подтвердить выбор компонентов и компоновку, а также позволит вам визуализировать электрическое поведение в PDN во время переходного процесса.

Свяжитесь с нами или загрузите бесплатную пробную версию, если вы хотите узнать больше об Altium Designer. Вы получите доступ к лучшим в отрасли инструментам для трассировки, размещения и моделирования. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше о резисторах или конденсаторах для печатных плат.