Когда на PCB имеет значение расположение развязывающего конденсатора?

Размещение развязывающих конденсаторов — одна из тех тем в трассировке PCB, где простое правило повторяют далеко за пределами условий, в которых оно действительно полезно. Стандартная рекомендация хорошо знакома: размещайте конденсатор как можно ближе к выводу питания. Проектировщики слышат это из даташитов, application note, контрольных списков по layout и AI-сгенерированных диаграмм, где конденсаторы плотно окружают каждую микросхему, словно декоративная рамка. Проблема в том, что такой совет сводит несколько разных структур PDN к одному правилу, хотя эти структуры ведут себя по-разному.

Как только индуктивный путь между конденсатором и нагрузкой определён, решение о размещении становится намного проще. В одних платах даже небольшое увеличение расстояния до конденсатора повышает индуктивность пути настолько, что компонент становится менее эффективным. В других платах, особенно в многослойных конструкциях с близко расположенными плоскостями питания и земли, точное положение конденсатора может быть гораздо менее критичным, поскольку именно плоскости обеспечивают путь тока с низкой индуктивностью.

Предпосылки к размещению развязывающих конденсаторов

Часть мифов, связанных с размещением развязывающих конденсаторов, восходит к статье IEEE доктора Тодда Хабинга о многослойных PCB с внутренними плоскостями питания и земли. В этой работе рассматривалось, применимы ли привычные правила размещения для односторонних и двухсторонних плат после перехода к плате с парой плоскостей с низкой индуктивностью. Ключевой результат, который до сих пор вызывает споры, таков: когда развязывающие конденсаторы подключены к близко расположенным плоскостям (<10 mil), измеренный импеданс шины питания может очень слабо зависеть от места установки конденсатора, при условии что конденсатор не расположен чрезмерно далеко от нагрузки.

Этот результат полезен, но его также легко чрезмерно обобщить. Вывод Хабинга не заключался в том, что местоположение конденсатора никогда не имеет значения. Суть в том, что близко расположенные пары плоскостей изменяют доминирующую индуктивность в пути тока, а значит, меняют степень влияния положения конденсатора на импеданс PDN. Это совсем не то же самое, что утверждение, будто на любой плате можно не учитывать размещение конденсаторов.

Прочитать статью доктора Хабинга можно здесь:

• Hubing, Todd H., James L. Drewniak, Thomas P. Van Doren, and David M. Hockanson. "Power bus decoupling on multilayer printed circuit boards." IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 37, no. 2 (2002): 155-166.

График из работы Hubing et al., показывающий перекрывающиеся кривые импеданса для конденсаторов, размещённых в разных точках многослойной платы с близко расположенными плоскостями питания и земли.

Корпус компонента определяет, насколько важно размещение

Утверждение о том, что местоположение конденсатора «не имеет значения», — это чрезмерное обобщение; важность расположения зависит от корпуса компонента, stackup PCB и того, как конденсатор подключён к PDN.

Сравним, например, выводной корпус и BGA. У quad flat pack и аналогичных компонентов выводы питания расположены по периметру корпуса, и соседний конденсатор часто можно подключить напрямую к этим выводам короткими дорожками. В такой конфигурации маршрут между конденсатором и нагрузкой становится частью импеданса пути питания.

Корпуса QFN/QFP и аналогичные имеют выводы, доступные по краю компонента, что позволяет выполнять прямое подключение дорожками. Обратите внимание на соединение в цепи GVDD, где используется дорожка, а индуктивность пути на единицу длины высока.

Такое решение минимизирует индуктивность пути, поскольку токовая петля остаётся компактной, а вклад дорожки невелик. Для таких корпусов обычная рекомендация по размещению имеет практический смысл, потому что расположение выводов изначально рассчитано на такой стиль подключения. Обратите внимание, что для таких корпусов тоже можно использовать плоскость питания, но обычно только для выводных корпусов это не является обязательным.

У крупных BGA, как правило, имеется множество внутренних шариков питания и земли, сгруппированных во внутренней области корпуса. Никто не будет разводить отдельные дорожки от конденсаторов, расположенных снаружи корпуса, к его центральной части. Если только вы не размещаете конденсаторы на обратной стороне под BGA, вам придётся опираться на плоскости питания и земли и переходные отверстия к этим плоскостям.

В крупных BGA во внутренней части корпуса обычно находится множество выводов PWR и GND, сгруппированных ближе к центру. Розовые выводы = PWR, синие выводы = GND. Приведённый выше пример относится к процессору i.MX.

Для крупных BGA тот же метод прямого подключения дорожками невозможен, поскольку выводов питания и земли много, и они скрыты под корпусом. Поэтому для такого корпуса необходимы подключения к плоскостям на внутренних слоях, чтобы добраться до выводов, расположенных ближе к центру корпуса. Тогда возникает вопрос, нужно ли использовать малое расстояние между плоскостями питания и земли, поскольку это повлияет на индуктивность пути.

Индуктивность пути

Чтобы определить, важно ли местоположение, нужно знать полную индуктивность вдоль пути. Эта суммарная индуктивность пути складывается из собственного ESL конденсатора, монтажной индуктивности площадок и переходных отверстий, а также индуктивности трассы между конденсатором и выводами компонента.

Индуктивность пути можно записать так:

L(path) = ESL + L(mount) + L(trace or plane)

Полезная оценка порядка величины для индуктивности дорожки — около 5–7 нГн/дюйм, причём для дорожки 50 Ом на типичном ламинате с Dk = 4 это примерно 7,5 нГн/дюйм. Эти значения достаточно велики, поэтому даже умеренная длина трассировки становится значимой. Если сам конденсатор уже даёт около 3–3,5 нГн монтажной индуктивности, то добавление заметной длины дорожки может быстро удвоить или утроить суммарную индуктивность, наблюдаемую между конденсатором и нагрузкой.

А что насчёт плоскостей? Пара плоскостей имеет индуктивность растекания, которую обычно выражают как индуктивность «на квадрат». Это удобный способ рассматривать пару плоскостей, поскольку общая индуктивность зависит от отношения длины к ширине области растекания тока и от расстояния между плоскостями. Для близко расположенных плоскостей типичные значения могут быть порядка 100 пГн/квадрат.

Путь тока между развязывающим конденсатором и микросхемой в корпусе BGA. Индуктивность вдоль этого пути известна как индуктивность растекания.

Некоторые значения индуктивности растекания плоскостей и ёмкости плоскостей (для типичного FR4 с данным Dk) приведены AMD в таблице ниже. Обратите внимание, что значение 130 пГн/квадрат при расстоянии между плоскостями 4 mil очень близко к эмпирическому значению, приведённому Bogatin (32 пГн/квадрат/mil, или 128 пГн/квадрат для диэлектрика толщиной 4 mil).

Если на время оставить в стороне индуктивность растекания, в крупных BGA плоскости всё равно необходимы в целом, потому что это самый эффективный способ получить доступ к большому числу выводов питания и земли внутри корпуса. Как минимум, нужны крупные медные заливки, очень похожие на плоскости. Оба варианта обеспечивают значительно меньшую индуктивность, чем подключение дорожкой, как мы увидим ниже.

Пример: подключение к плоскости против подключения дорожкой

Это даёт нам две ситуации для сравнения: трассировка к выводам PWR/GND у выводного компонента и подключение через плоскости в BGA. Как только конденсатор подключён к близко расположенной паре плоскостей питания и земли, задача размещения меняется, потому что ток между конденсатором и компонентом начинают проводить плоскости. В этом случае доминирующей распределённой индуктивностью становится уже не длинная трасса, а индуктивность растекания в паре плоскостей.

В таком масштабе даже довольно большая область платы может вносить меньшую индуктивность, чем гораздо более короткий маршрут по дорожке. Это хорошо показывает простое сравнение. Предположим, конденсатор расположен на расстоянии 5 дюймов от нагрузки:

• Если подключение выполнено широкой дорожкой с индуктивностью всего 5 нГн/дюйм, одна только индуктивность трассировки составит 25 нГн
• Добавив примерно 3 нГн монтажной индуктивности, получаем суммарно около 28 нГн

Теперь возьмём то же расстояние 5 дюймов и предположим, что ток проходит через область пары плоскостей питания-земли размером 5 на 2 дюйма, то есть 2,5 квадрата:

• При 100 пГн/квадрат индуктивность растекания составит около 250 пГн, или 0,25 нГн
• Добавим те же 3 нГн монтажной индуктивности, и получим суммарно около 3,25 нГн

Физическое расстояние в обоих случаях одинаково, но способ подключения изменяет суммарную индуктивность почти на порядок.

Именно в этом контекст не столь широко известного результата работы Хабинга. Если конденсатор имеет около 3 нГн монтажной индуктивности, а путь через плоскости добавляет лишь долю наногенри, то перемещение конденсатора по плате может не приводить к значительному изменению суммарной индуктивности пути. В таких условиях точное местоположение конденсатора менее критично, чем можно было бы заключить из многих application note и рекомендаций.

Рекомендации по размещению зависят от способа подключения

Итак, оптимальное место для развязывающего конденсатора — то, которое минимизирует индуктивность (пути + монтажа). Монтажная индуктивность (ESL + площадки/переходные отверстия) не зависит от расположения, тогда как индуктивность пути может очень сильно от него зависеть. Из приведённого выше обсуждения индуктивности дорожек и индуктивности растекания должно быть ясно, что длина дорожки увеличивает индуктивность гораздо сильнее, чем разводка с использованием плоскостей или широких шин.

В многослойных платах с тесно связанными плоскостями питания и земли низкая индуктивность растекания может сделать положение конденсатора гораздо менее критичным, особенно под BGA, где доступ через плоскости является естественным способом реализации. Для QFN, QFP и аналогичных выводных корпусов разработчик часто может подключить конденсатор напрямую между соседними выводами VDD и VSS короткими дорожками.

Независимо от того, нужно ли вам создавать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования PCB и CAD-инструменты мирового класса от Altium. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования PCB и возможности междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь с экспертом Altium уже сегодня!

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли развязывающий конденсатор нужно размещать как можно ближе к выводу питания?

Нет, но это зависит от корпуса компонента. Это правило полезно в некоторых вариантах трассировки, однако оно не в равной степени применимо к каждой структуре PDN. Это зависит от индуктивного пути между конденсатором и нагрузкой.

Почему для BGA обычно требуются подключения к полигонам для развязывающих конденсаторов?

Это связано с тем, что выводы питания и земли скрыты под корпусом, часто ближе к его центру. Прямое подключение дорожками от расположенных рядом конденсаторов к этим выводам невозможно, поэтому полигоны и переходные отверстия становятся стандартным способом соединения. Другой способ — разместить развязывающие конденсаторы на обратной стороне в области BGA и подключить их к выводам с помощью via-in-pad.

Что такое индуктивность пути в подключении развязывающего конденсатора?

Индуктивность пути — это суммарная индуктивность между конденсатором и нагрузкой. В статье она определяется как ESL конденсатора плюс индуктивность монтажа плюс индуктивность трассировки от дорожек или полигонов.

Как близко расположенные плоскости влияют на импеданс PDN?

Близко расположенные плоскости питания и земли уменьшают индуктивность растекания тока, поэтому расположение конденсатора может стать значительно менее критичным. Близко расположенные плоскости питания и земли также образуют эффективный конденсатор с низкой индуктивностью, который может обеспечивать питание крупных ИС на высоких частотах.