Mô hình hóa Trở kháng Tụ điện So với Tần số Sử dụng Bảng tính Excel

Như đã đề cập trong bài viết trước, dựa trên ghi chú của lớp học thiết kế kéo dài hai ngày, việc thiết kế hệ thống nguồn điện đúng cách là khía cạnh khó khăn nhất trong quy trình thiết kế PCB tốc độ cao ngày nay. Một phần quan trọng của quy trình này là mô hình hóa nguồn điện để đảm bảo rằng nó sẽ hoạt động đúng cách trong sản phẩm cuối cùng. Một phần quan trọng của nỗ lực mô hình hóa này tập trung vào khả năng mô hình hóa trở kháng tụ điện so với tần số. Điều này đủ đơn giản để có thể thực hiện với một bảng tính Excel.

Bài viết này sẽ mô tả cách chọn lựa dân số tụ điện, cách sử dụng một bảng tính Excel như một phần của nỗ lực này, cách tạo một mô hình SPICE để phân tích các tụ điện, và mức độ chính xác của các dự đoán so với một mạch thực tế và các thành phần trong một PDN hoàn chỉnh. Điểm nổi bật trong bài viết này sẽ là công cụ PDN từ Altera, được cung cấp miễn phí.

Điều gì Quyết định Trở kháng Tụ điện so với Tần số?

Trước khi đi sâu vào chủ đề cách mô hình hóa trở kháng tụ điện so với tần số sử dụng một bảng tính Excel, điều quan trọng là phải hiểu cách một tụ điện hoạt động.

Có ba yếu tố trong một tụ điện, bao gồm:

• Chính tụ điện.
• Độ tự cảm của tụ điện và chân dẫn.
• Điện trở của các dẫn điện.

Các yếu tố trên xảy ra theo chuỗi, và một kỹ sư RF sẽ gọi thiết bị kết quả là một chuỗi các mạch điều chỉnh.

Hiểu cách tụ điện hoạt động dựa trên các tiêu chí sau:

• Ở tần số thấp, trở kháng rất cao, vì vậy hành vi của tụ điện không thể thấy được.
• Ở tần số cao, tụ điện hoạt động như một cuộn cảm.

Hình 1 cho thấy trở kháng so với tần số cho hai tụ điện phổ biến. 

Ở tần số thấp, trở kháng của tụ điện là như người ta mong đợi. Cuối cùng, phản ứng cảm kháng nhiễu và phản ứng dung kháng tại một tần số bằng nhau và hủy lẫn nhau, giống như trong một mạch LC ở tần số cộng hưởng. Ở phía dưới của biểu đồ, trở kháng của tụ điện chỉ bằng với ESR (điện trở mắc nối tiếp tương đương). 

Lưu ý: ESR là một điện trở nhiễu trong tất cả các linh kiện do độ dẫn điện hữu hạn của các dẫn điện từ đó chân linh kiện được làm ra.

Nhóm các tụ điện có thể thể hiện cộng hưởng nối tiếp và song song, nơi mà cộng hưởng phụ thuộc vào cách các tụ điện được bố trí trong mạch. Mỗi cộng hưởng xảy ra khi trở kháng tại một tần số nhất định (hoặc các tần số) được giảm thiểu. Xung quanh một tần số cộng hưởng, tụ điện hữu ích nhất trong nguồn cung cấp, nhưng nó chỉ hữu ích trong một phạm vi tần số khá hẹp. Mở rộng các tần số hữu ích qua một phạm vi rộng hơn là một lý do nhiều tụ điện được sử dụng trong một PDN.

Tính toán Trở kháng Đúng cách

Như đã đề cập trước đó, nhà phát triển sản phẩm không luôn biết chính xác phân phối tần số mà IC trên PCB sẽ yêu cầu. Kết quả là, trở kháng của PDN phải được giữ thấp từ DC đến một giá trị nào đó lên đến hàng trăm MHz để đảm bảo rằng dao động điện áp tần số cao trên PDN nằm trong giới hạn chấp nhận được. Để thực hiện điều này, nhiều tụ điện với các giá trị khác nhau được chọn. Những tụ điện này tương tác với nhau để tạo ra một tập hợp phức tạp của cộng hưởng (trở kháng tối thiểu) và chống cộng hưởng (trở kháng tối đa).

Để tính toán tổng trở kháng của PDN, một bảng tính Excel có thể được sử dụng để tạo ra trở kháng PDN so với tần số cho một tập hợp các tụ điện, như được hiển thị trong Hình 2.

Một số điều cần lưu ý khi bạn thực hiện quá trình này.

• Điện trở của một cuộn cảm tăng lên khi tần số tăng lên.
• Khi một bộ điều chỉnh ngừng điều chỉnh, nó trông giống như một cuộn cảm.
• Đường màu đen trong Hình 2 là độ tự cảm của bộ điều chỉnh. Tất cả các đường tăng lên theo cách này là cuộn cảm.

Đường cong màu đỏ đậm trong Hình 2 là tổng trở xuất hiện từ việc chọn lựa dân tụ điện được nổi bật trong Hình 3.

Thông tin này bao gồm các loại và số lượng tụ điện cuối cùng được chọn cho dự án tư vấn của Speeding Edge. Đối với dự án này, cần lưu ý rằng cần đạt được 10 mOhms từ DC ra gần như 100 MHz.

Như Lee Ritchey, Người sáng lập và Chủ tịch của Speeding Edge lưu ý, “Mọi người nghĩ rằng một bảng mạch như thế này cần hàng nghìn tụ điện. Nếu chúng tôi chỉ dựa vào ghi chú ứng dụng của nhà cung cấp IC, chúng tôi sẽ sử dụng gấp mười lần số lượng tụ điện, và chúng sẽ có giá trị không đúng.”

Cần lưu ý rằng việc sử dụng phương pháp trước đây để tính toán tổng trở kháng PDN không tính đến sự tương tác giữa độ tự cảm nhiễu của tụ điện và dung lượng của bản mạch PCB. Để có được thông tin này, một mô hình SPICE dựa trên mô hình giải pháp trường phải được xây dựng. Hình 4 là mô hình spice được sử dụng để phân tích tụ điện bypass trong một PDN.

Hình 5 là mô hình của toàn bộ nguồn cung cấp điện. Mô hình này hiển thị các giá trị R, C, và L nối tiếp của bộ phận, và độ tự cảm của việc lắp đặt.

Hình ảnh trong Hình 5 được lấy từ bảng tính Altera PDN_TOOL_V10. Với công cụ này, bạn có thể xác định hình dạng của bản mạch, kích thước của nó, khoảng cách giữa các bản mạch là bao xa, hằng số điện môi là bao nhiêu, và bảng mạch dày đến mức nào. Một khi các bộ phận được chọn và các hình dạng được xác định, công cụ sẽ tính toán tất cả các độ tự cảm. Đối với dữ liệu đầu vào, công cụ yêu cầu người dùng xác định delta(I) (sự thay đổi của dòng điện), và nên chỉ định độ biến thiên cho phép. Điều này sẽ đưa ra trở kháng mục tiêu và sau đó, dựa trên thông tin này, có thể chọn các tụ điện sẽ gần đạt được trở kháng mục tiêu nào đó.

Toán học bên trong bảng tính tính toán việc các tụ điện tương tác với nhau. Có những công cụ thương mại phức tạp, có sẵn để thực hiện các phân tích và nhiệm vụ thiết kế trước đó và thậm chí tạo ra mô hình 3-D nếu cần. Tuy nhiên, bảng tính của Altera sẽ đáp ứng đủ nhu cầu của hầu hết các nhà phát triển sản phẩm.

Tóm tắt

Việc thiết kế một PDN hoạt động là một trong những khía cạnh thách thức nhất của việc phát triển sản phẩm PCB, và việc chọn đúng các tụ điện là một phần không thể tách rời của nỗ lực đó. Xác định các giá trị chính xác và đảm bảo rằng chúng gần với trở kháng mục tiêu giúp tạo ra một PDN hoạt động như thiết kế.

Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm hoặc tiếp tục đọc để có thông tin chi tiết vềquản lý dữ liệu mô hình linh kiện trong các mô phỏng SPICE.