Расчеты разделительных конденсаторов: Какой размер следует использовать для цифровых ИС?

Правильно ли подобраны развязывающие конденсаторы?

Вопрос, который постоянно возникает в руководствах по проектированию печатных плат, включая рекомендации экспертов по высокоскоростной цифровой технике, заключается в необходимости подбора подходящего размера развязывающего конденсатора. Иногда этот вопрос рассматривается без полного понимания того, что эти конденсаторы должны делать в сети распределения питания (PDN) или какова их роль в обеспечении целостности питания. Я также видел множество технических заметок, которые по умолчанию следуют десятилетиями устаревшему правилу размещения трех таких конденсаторов для соединения выводов питания и земли на цифровой интегральной схеме (обычно это 1 нФ, 10 нФ и 100 нФ, или что-то в этом роде). В прошлом это, вероятно, было приемлемо; проблемы с целостностью питания, возникающие в быстродействующих цифровых компонентах, не были настолько серьезными, чтобы мешать основным напряжениям, так что работа, выполняемая тремя конденсаторами, была достаточно хорошей.

Сегодняшние быстрые интегральные схемы, имеющие множество выходов и низкие напряжения питания (до 1,0 В), имеют гораздо более строгие ограничения по шумам, чем значительно более медленные компоненты прошлого. Более строгие ограничения по шумам означают необходимость более точной развязки. Поскольку это так, любой конструктор, работающий с современными достаточно мощными МКУ и многими другими цифровыми компонентами, должен знать, как правильно подобрать развязывающий конденсатор. Так как же это сделать? В общем, существует два способа. Давайте рассмотрим оба, чтобы понять, как рассчитать значение развязывающего конденсатора и почему старый миф о трех развязывающих конденсаторах не актуален в современных высокоскоростных цифровых конструкциях.

Понимание эквивалентной модели конденсатора

Прежде чем мы перейдем к определению размеров развязывающих конденсаторов, которые вам понадобятся для цифровой схемы, вам нужно понять базовую схемную модель конденсатора. Хотя нам бы хотелось думать, что конденсатор ведет себя точно так, как гласит теория, на самом деле это не так. Все конденсаторы имеют некоторую индуктивность на выводах, которая определяет их спектр импеданса, что эмпирически моделируется как последовательная RLC-сеть:

Эквивалентная RLC-схема, используемая для моделирования конденсатора

В этой модели ESR и ESL являются эквивалентным последовательным сопротивлением и эквивалентной последовательной индуктивностью соответственно. Значение C можно взять как ёмкость, указанную в техническом описании компонента. Наконец, значение R учитывает проводимость диэлектрика, формирующего конденсатор. Это учитывает переходные утечки, которые происходят в любом конденсаторе после его зарядки и удаления из схемы. Обычно это значение достаточно велико, чтобы его можно было игнорировать.

В этой модели (игнорируя R), значение (ESR/(2*ESL)) является коэффициентом демпфирования эквивалентной схемы, предполагая, что нагрузка, подключенная к концам схемы, составляет 0 Ом. Это минимальное время, необходимое схеме для реагирования на изменение входного напряжения при полной зарядке/разрядке. Технические описания конденсаторов не содержат коэффициентов демпфирования, вместо этого они просто показывают график спектра импеданса, как показано ниже. Если хотите, вы можете использовать значения ESL и ESR в ваших технических описаниях для расчета коэффициента демпфирования.

Наконец, все реальные конденсаторы имеют собственную резонансную частоту, равную значению для любой последовательной RLC-цепи, или в данном случае:

Собственная резонансная частота может быть видна на графике спектра импеданса. Ниже показан пример реального конденсатора AVX:

Что на самом деле делает развязывающий конденсатор?

Это отличный вопрос, который действительно помогает нам понять, почему нам нужны развязывающие конденсаторы для обеспечения целостности питания цифровых интегральных схем. Все конденсаторы накапливают заряд в равновесии при подключении к источнику постоянного напряжения; пластины в конденсаторе заряжаются и удерживают общее количество заряда, равное Q = CV. Если V колеблется или немного падает, то часть этого заряда Q высвобождается и поставляется к нагрузке, как небольшая батарея.

Проблема, возникающая в реальных конденсаторах, подключенных к цифровым схемам, заключается в том, что падение напряжения не происходит на одной частоте. Зависящее от времени колебание исходного напряжения или внезапный скачок тока в цепи часто выглядят как пик с резким фронтом на осциллографе. Это означает, что спектр мощности, связанный с этим сигналом, будет распределен по ряду частот и будет перекрываться с собственной резонансной частотой. В результате конденсатор будет разряжаться в ответ и будет возбуждать переходные колебания на шине питания. Если эту мощность потребляет цифровой конденсаторный ИС на шине питания, переходное явление на шине питания проявится в виде колебаний на контакте питания. Однако, если правильно выбрать размеры и количество развязывающих конденсаторов, то эту колебательность можно минимизировать. Вот почему мы придерживаемся постоянного правила трех конденсаторов; это наименее плохой вариант расположения и размеров, который может попытаться обеспечить стабильное питание.

Методы определения размеров развязывающих конденсаторов

Теперь, когда мы в основном понимаем электрическое поведение реальных конденсаторов, мы можем подойти к определению их размеров с трех сторон:

• Использование зарядки нагрузки во временной области: Дорожки на печатной плате по сути являются конденсаторами, и задача развязывающего конденсатора заключается в обеспечении тока, необходимого конденсатору ИС для зарядки нагрузки. Вы можете оценить общий заряд и емкость, необходимые для зарядки дорожек/линий передачи, используя емкость нагрузки и требуемое время перехода/пиковое напряжение.
• Использование целевого пульсации, всплеска тока и спектра импеданса: Это требует установления пределов для колебаний энергосистемы и использования этого для определения емкости, необходимой для снижения спектра импеданса PDN ниже целевого импеданса.
• Импульсные ответы во временной области: Здесь вы бы рассмотрели переходную характеристику конденсатора в модели для PDN. Вы можете создать феноменологические модели PDN, используя схемы вашей цепи, и использовать переходной анализ в симуляциях SPICE, или вы можете рассчитать передаточную функцию PDN и Z-параметры, используя расчет импульсного отклика. По мере итерации через различные значения, вы в конечном итоге можете минимизировать импеданс PDN ниже вашей цели.

В приведенном выше списке только первый метод является "простым" и может дать вам базовую оценку общего заряда, который вам нужно будет хранить в вашем банке конденсаторов, исходя из минимального времени, необходимого для его передачи. Если вы развязываете цифровую схему, которая имеет более высокую скорость переключения, тогда вам следует выбрать конденсатор с эквивалентной постоянной затухания, которая критически затухает или немного перезатухает схему, чтобы подавить колебания во время разряда. До тех пор, пока скорость разряда короче времени переключения, развязывающий конденсатор сможет быстро компенсировать колебания напряжения.

Оценка общей развязывающей емкости на основе зарядки следов

Самый простой способ оценить общую емкость - это учесть максимальное количество заряда, которое необходимо передать на конденсатор IC, как быстро он должен быть передан на IC, и размер компенсируемого колебания напряжения. Поскольку большинство нагрузок являются емкостными, вы можете связать ток, достигающий нагрузки, со скоростью изменения напряжения сигнала с OFF на ON (или наоборот):

Обратите внимание, что вы можете применить аналогичную технику к чисто резистивной или индуктивной нагрузке. Давайте рассмотрим емкостную нагрузку на цифровой интегральной схеме с несколькими переключающими выходами, используя эту формулу в качестве калькулятора развязывающих конденсаторов.

Простой пример: Цифровая ИС с 12 выходами

Лучший способ показать, как использовать это уравнение для емкостной нагрузки, - это пример. Предположим, у вас есть цифровая интегральная схема с 12 выходами, где каждый выходной сигнал составляет 5 В с временем нарастания 6 нс. Каждый выход управляет нагрузкой с емкостью нагрузки 50 пФ. Если предположить, что время нарастания сигнала линейно, то производная в вышеуказанном уравнении может быть записана как dV = 5 В, и dt = 6 нс. Следовательно, требуемый ток на выход составляет:

Ток на выходе нашей примерной ИС

Если все 12 выходов одновременно переключатся с высокого на низкий уровень, то общий всплеск тока от PDN составит 500 мА. Этот всплеск тока вызывает изменение потенциала земляной плоскости, что приводит к изменению потенциала сигнала, и конденсатор должен компенсировать это изменение потенциала сигнала. Если предположить, что порог для состояния ВКЛ составляет 4,5 В, то падение напряжения, которое необходимо компенсировать, составляет 0,5 В, чтобы предотвратить ошибки битов. Более того, это должно быть компенсировано в течение 6 нс. Таким образом, минимальная развязывающая емкость составляет:

Минимальная емкость примера развязывающего конденсатора

Здесь вам следует использовать как минимум конденсатор на 6 нФ для компенсации максимального напряжения 0,5 В в течение 6 нс. Обратите внимание, что некоторые рекомендации предлагают использовать два конденсатора по 3 нФ параллельно в данном примере, так как это снизит ESR в два раза, но это также уменьшит ESL в два раза, поэтому эффект на демпфирование будет нулевым. Если реакция конденсатора недостаточно затухает, тогда вы можете выбрать более крупный конденсатор, так как это приблизит реакцию к критически затухающему или перезатухающему случаям. Однако использование двух конденсаторов параллельно помогает сгладить спектр импеданса сети PDN около резонансной частоты конденсатора.

Размеры развязывающих конденсаторов по импульсным характеристикам/Импеданс PDN

В чем проблема с вышеописанной моделью? Проблема заключается в том, что она не учитывает все аспекты реальных развязывающих конденсаторов или реальной сети PDN на печатной плате, включая:

• ESL, как показано выше, в модели эквивалентного импеданса конденсатора
• Паразитная емкость и индуктивность в PDN

Второй пункт очень важен и требует пост-лейаутных симуляций. Спектр импеданса PDN не зависит только от значений, полученных с помощью вашего калькулятора развязывающих конденсаторов, он также зависит от геометрии PDN (т.е. расположения слоев, материалов, размера шин и т.д.). Из-за этой зависимости от геометрии вам нужно будет экспортировать вашу компоновку печатной платы в утилиту решения поля, например, Ansys.

Импеданс PDN с исследованием дизайна

Это гораздо более сложная задача и иногда подходит с точки зрения модели цепи. К сожалению, модели цепей не могут точно учитывать реальные аспекты импеданса PDN, поэтому вам обычно нужен решатель поля для определения Z-параметров, S-параметров или других параметров сети в вашем дизайне. Решатель поля также может быть использован для расчета спектра импеданса PDN, который затем может быть использован для расчета функции импульсного отклика с помощью обратного преобразования Фурье. Это довольно сложная тема исследования дизайна, которая заслуживает отдельного руководства, но она важна, когда вы начинаете работать с очень быстрыми компонентами, которые также имеют низкие напряжения питания и узкие пределы шума.

Выбор дополнительных развязывающих конденсаторов

После того, как вы извлекли эту модель из решателя поля, вы можете определить, какие части спектра импеданса PDN имеют высокий импеданс, и вы можете выбрать дополнительные развязывающие конденсаторы, которые нацелены на эти пики в спектре импеданса PDN. Добавьте конденсаторы, которые имеют собственную резонансную частоту, перекрывающую пик импеданса PDN (см. ниже), и продолжайте добавлять конденсаторы параллельно, пока импеданс PDN не упадет ниже целевого импеданса. Если вы не уверены в целевом импедансе для вашего PDN, прочитайте эту статью от Келлы Нак, чтобы получить хорошее представление о необходимом вам целевом значении. Я также подготовлю новую статью, которая покажет, как рассчитать это напрямую.

С платами, работающими на более низких уровнях мощности, более высоких скоростях передачи данных и более строгих требованиях к шуму, каждый дизайнер должен иметь необходимые инструменты для расчета, выбора и размещения конденсаторов для обхода и развязки на своих печатных платах. Только Altium Designer предоставляет вам инструменты проектирования схем и компоновки, необходимые для создания новых конструкций для любого приложения. Набор инструментов для симуляции в Altium Designer также помогает вам выявлять проблемы с энергетической целостностью и исследовать переходное поведение вашей энергетической сети.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Если вы хотите узнать больше о том, как рассчитать значения разделительных конденсаторов, обратитесь к нашим экспертам или начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.