Xem xét Thiết kế PCB Tốc độ Cao: Mẹo Đặt và Điều hướng Tụ Bypass

Nhiều năm trước, đa số các thiết kế bảng mạch mà tôi tham gia đều là thiết kế kỹ thuật số đơn giản. Việc đặt và định tuyến tụ điện bypass trong những thiết kế đó rất dễ dàng, và thường thì mạch điện chậm đến mức không cần thiết phải sử dụng tụ điện gốm. Hầu hết thời gian, chúng tôi coi việc đặt và định tuyến tụ điện bypass như một suy nghĩ phụ hơn là một yếu tố thiết kế chính. Tôi nhớ có một số kỹ sư thậm chí còn hướng dẫn tôi “rắc” tụ điện bypass ở đây và ở đó như thể chúng chỉ là những trang trí đường trên bánh. Dường như không có nhiều lo ngại về việc sử dụng bao nhiêu, chúng nên được đặt ở đâu, hoặc chúng nên được kết nối như thế nào.

Sau này, khi các thiết kế trở nên phức tạp và tốc độ cao hơn, nhu cầu thiết kế một mạng lưới phân phối điện năng tinh vi hơn () trên bảng mạch cũng tăng lên. Bây giờ với yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu của một thiết kế tốc độ cao, một được thiết kế chính xác trở nên cần thiết cho hiệu suất tốt nhất của bảng mạch.

Hãy xem xét một số mẹo về PCB tốc độ cao và những yêu cầu nào về việc đặt tụ điện bypass trong của một thiết kế tốc độ cao, và những chiến lược đặt và định tuyến nào sẽ giúp bạn tốt nhất trên mặt đất.

Tụ điện này làm gì?

Tụ điện bypass đang làm gì?

Các bộ xử lý và các IC khác trên một PCB tốc độ cao sẽ yêu cầu những đợt tăng cường dòng điện đột ngột mà nguồn cung cấp không thể cung cấp. Nguồn cung cấp được thiết kế để cung cấp một lượng năng lượng ổn định trên toàn bộ bố cục PCB, thay vì những cơn gió ngắn. Để giải quyết vấn đề này, một tụ điện bypass có thể được đặt gần IC để cung cấp dòng điện cần thiết cho những đợt tăng cường nhanh chóng này. Tụ điện bypass làm điều này bằng cách lưu trữ năng lượng và sau đó phóng điện cho IC khi nó yêu cầu dòng điện dư thừa. Điều này cho phép nguồn cung cấp có thời gian để phản ứng. Sau đợt tăng cường, tụ điện bypass được nạp lại và sẵn sàng cho chu kỳ tiếp theo.

Tụ điện bypass cũng quan trọng trong việc giảm sự nảy mặt đất có thể xuất phát từ các thiết bị số có thời gian chuyển mạch nhanh hơn. Tụ điện bypass cũng được sử dụng để lọc nhiễu tần số thấp do nguồn cung cấp gây ra và cũng hữu ích với các vấn đề tính toàn vẹn tín hiệu và EMI khác nữa.

Số lượng tụ điện bypass nên sử dụng bao nhiêu?

Số lượng tụ điện bypass cần thiết cho một thiết kế sẽ phụ thuộc vào việc chúng được gán cho những gì, và bao nhiêu trong số đó đang được sử dụng. Các tụ điện lớn trong phạm vi 10uF thường được sử dụng cho mỗi sự giảm điện áp trên bảng mạch. Chúng nên được đặt ở nơi điện áp được phát triển hoặc nơi nó vào bảng mạch. Trên một số thiết bị, chúng được sử dụng kết hợp với các tụ điện bypass tốc độ cao.

Nói chung, ít nhất một tụ điện bypass tốc độ cao trong phạm vi 0.1uF nên được đặt bên cạnh mỗi IC. Chúng nên được đặt càng gần IC tương ứng càng tốt để cung cấp dòng điện ngay lập tức. Tôi khuyến nghị rằng các thiết bị có nhiều chân cấp nguồn nên có ít nhất một tụ điện bypass cho mỗi chân cấp nguồn. Mặc dù điều này sẽ chiếm nhiều không gian bảng mạch hơn, nhưng nó có thể giúp giảm đáng kể sự nảy điện áp.

Tụ điện và các thành phần khác đang hoạt động trên một PCB

Vị trí đặt tụ điện bypass và các phương pháp tốt nhất cho việc định tuyến

Như tôi đã đề cập trước đó, bạn nên đặt các tụ điện bypass càng gần thiết bị mà chúng được gán càng tốt. Điều này có thể là phía dưới thiết bị ở mặt đối diện của bảng mạch, hoặc ngay bên cạnh các chân mà tụ điện bypass được kết nối trên cùng một mặt của bảng.

Đối với các mạch cần nhiều tụ bỏ qua được đặt gần chân cấp nguồn của một thiết bị cụ thể, các tụ này nên được đặt cạnh chân đó theo thứ tự giá trị tăng dần. Ví dụ, nếu cả tụ .01uF và tụ 10uF đều được chỉ định cho một thiết bị cụ thể, hãy đặt tụ .01uF gần thiết bị nhất với tụ 10uF ở ngoài cùng. Như vậy, tụ lớn hơn sẽ nạp lại tụ tần số cao gần chân thiết bị nhất.

Khi đấu nối một tụ bỏ qua, bạn nên bắt đầu từ chân cấp nguồn hoặc chân nối đất của thiết bị và đi trực tiếp đến chân của tụ. Từ đó, đường dẫn có thể tiếp tục đến một via kết nối nó với mặt cắt nguồn hoặc mặt nối đất. Bạn cũng nên sử dụng đường dẫn PCB càng ngắn và rộng càng tốt để kết nối tụ bỏ qua, và sử dụng càng nhiều via để kết nối với mặt cắt nguồn hoặc mặt nối đất càng tốt.

Việc đặt và định tuyến các tụ bypass của bạn cho mạng lưới phân phối điện tốt nhất là một phần quan trọng của thiết kế PCB tốc độ cao của bạn. Những mẹo đã được thảo luận ở đây sẽ cho bạn một khởi đầu tốt, và còn có các nguồn lực khác sẵn có cho bạn nữa. Phần mềm PCB, như Altium Designer^®, có các công cụ phân tích DC, như PDN Analyzer^™ của họ. Những công cụ này cho phép bạn phân tích và giải quyết các vấn đề về mạng lưới phân phối điện trong quá trình thiết kế bố cục PCB trước khi bạn xây dựng một bảng mạch thực tế.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp với bố cục vòng lặp hiện tại của thiết kế PCB tốc độ cao của bạn không?  Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.

Xem Altium hoạt động...

Tự động Hóa Tín Hiệu Tốc Độ Cao cho Cấu Trúc Tốc Độ Cao