Vai trò của Bộ lọc nhiễu, Cuộn cảm và Điện trở trong một PDN

Bạn có thể muốn thêm một trong những linh kiện này vào mạch phân tách của bạn

Trong một bài viết trước đây, chúng ta đã tìm hiểu về vai trò của tụ điện phân tách, cũng như sự khác biệt giữa phân tách và bù đắp. Một tụ điện phân tách, đôi khi được gọi là tụ điện phân tách RF, cung cấp các chức năng giống như một tụ điện bù đắp, nhưng nó cũng cung cấp một chức năng quan trọng khác là bù đắp cho sự thay đổi trong tiềm năng mặt đất khi một IC chuyển mạch.

Có một điểm quan trọng khác khi thiết kế mạch PDN của bạn để đảm bảo tính toàn vẹn nguồn điện. Đó là vai trò của cảm kháng khi thiết kế mạch PDN. Trong các thiết kế tốc độ cao (mà hiện nay mọi thiết kế đều yêu cầu), mạch phân tách thường chỉ sử dụng tụ điện, cho đến khi bạn bắt đầu xem xét các tần số đủ cao. Lúc này, có cảm kháng có thể tạo ra phản ứng quá độ lớn trong PDN. Điều này đưa ra hai câu hỏi:

1. Vì nguồn điện trên một PDN có thể biểu hiện một số phản ứng quá độ với cảm kháng, liệu chúng ta có thể đảm bảo phản ứng này là giảm xóc cực kỳ không?
2. Nếu câu trả lời cho câu hỏi #1 là "Không," liệu chúng ta có thể đảm bảo sự xáo trộn điện áp do dòng điện hút vào PDN được giảm thiểu không?

Câu trả lời cho câu hỏi #1 là "Có," nhưng như chúng ta sẽ thấy, đi theo con đường của câu hỏi #2 thực tế hơn và là phương pháp tiêu chuẩn trong ngành. Như chúng ta sẽ thấy, việc thử câu hỏi #1 sẽ cho chúng ta cơ hội học hỏi rất nhiều về tụ điện thực tế, cảm kháng trong PDN, và phân tách là gì.

Mục tiêu của Mạng Decoupling PDN là gì?

Thiết kế một mạng decoupling không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Với các mạch tần số thấp, sử dụng tụ điện RF decoupling đã đủ cho việc decoupling. Tần số tự cộng hưởng của nhiều tụ điện nhỏ vẫn còn khá cao hơn so với tần số gối cho nhiều họ logic, do đó sẽ khó để đẩy một bus nguồn vào cộng hưởng trong quá trình chuyển đổi. Hơn nữa, tụ điện decoupling cũng sẽ hoạt động như một tụ điện bypass để bù đắp cho những thay đổi tiềm năng khi IC chuyển đổi.

Với các dòng logic nhanh hơn, tần số gối có thể trùng với tần số tự cộng hưởng của mạch tương đương được hình thành bởi tụ bỏ qua/loại bỏ nhiễu, bus loại bỏ nhiễu nguồn cấp, bất kỳ tụ bỏ qua/loại bỏ nhiễu nào gần đó, các dẫn điện kết nối các thành phần, và chính các thành phần đó. Điều này tạo ra khả năng cho việc rung trong bus nguồn với các mạch tốc độ cao khi các cổng logic chuyển đổi. Dưới sự chuyển đổi liên tục, điều này sẽ gây ra một dao động cộng hưởng được kích thích trong bus nguồn với biên độ cao. Cũng như trường hợp với hiện tượng nảy mặt đất, một đầu ra chuyển đổi đơn lẻ trên một IC có thể không có nhiều ảnh hưởng, nhưng nhiều thành phần chuyển đổi cùng một lúc có thể tạo ra rung đáng kể trong bus nguồn và những thay đổi lớn về mức điện áp được nhìn thấy qua các chân nguồn của IC.

Vì lý do này, cảm kháng trong một PDN được coi là điều không tốt: nó tạo ra trở kháng cao hơn trên toàn bộ phổ trở kháng của PDN vượt qua một giới hạn tần số nhất định. Trở kháng rộng băng thông cao không tốt cho tín hiệu số rộng băng thông vì những tín hiệu này sẽ biến dòng điện chuyển tiếp thành một điện áp lớn hơn trên toàn bộ băng thông tín hiệu. Ở mức rút dòng cao, hiện tượng rung trong một bus nguồn có thể vượt quá giới hạn về mức điện áp lõi gần một trong những tần số cộng hưởng trong PDN. Một số hướng dẫn đề xuất thêm một cuộn cảm giảm nhiễu, tụ điện, và đôi khi là một điện trở PCB để đưa hiện tượng rung về trong giới hạn. Đáng để xem xét chính xác cảm kháng ảnh hưởng như thế nào đến bus nguồn và hiện tượng rung, và một PDN "chỉnh lưu tới hạn" có thể trông như thế nào.

Làm thế nào để Giảm Rung PDN Với Mạng Giảm Nhiễu

Như đã thảo luận trong bài viết trước, mô hình tương đương RLC cho tụ điện giảm nhiễu RF có thể chưa được chỉnh lưu, và bạn có thể cố gắng đưa mạch này càng gần với trường hợp chỉnh lưu tới hạn nhất có thể. Tuy nhiên, bạn sẽ cần phải xem xét toàn bộ mạch tương đương cho tụ điện giảm nhiễu và phần còn lại của hệ thống.

Lý tưởng nhất, bạn muốn giảm rung theo một số cách:

1. Làm giảm hoặc quá giảm phản ứng trên bus nguồn. Điều này khá đơn giản vì nó đòi hỏi phải thêm một số linh kiện thụ động (cuộn cảm PCB, điện trở PCB và tụ điện) để thay đổi điều kiện cộng hưởng.
2. Thêm các linh kiện làm thay đổi tần số cộng hưởng trong bất kỳ phần nào của mạch giảm nhiễu để giá trị nằm ngoài phổ nguồn của tín hiệu chuyển mạch. Người đọc thông thái có lẽ sẽ nhận ra rằng đây chỉ là cách nói lại của điểm #1
3. Thêm nhiều tụ điện với các tần số cộng hưởng khác nhau song song để cố gắng làm mịn toàn bộ phổ trở kháng PDN. Các phần trở kháng thấp chồng lên nhau nên kết hợp để tạo ra một trở kháng đủ thấp xuyên suốt băng thông tín hiệu.

#1 và #2 có thể ổn cho một PDN tương tự vì bạn chỉ cần quan tâm đến những gì xảy ra trong một băng thông hẹp. #3 quan trọng hơn đối với các thành phần số, có băng thông rộng.

Góc nhìn về Giảm xóc

Ba phương pháp này có phần nào đó loại trừ lẫn nhau. Việc thêm một cuộn cảm giảm nhiễu nối tiếp giữa tụ giảm nhiễu RF và một IC sẽ làm tăng trở kháng mà bất kỳ tín hiệu tần số cao nào (bao gồm cả tín hiệu rung) truyền đến tải, nhưng nó cũng sẽ giảm tần số cộng hưởng. Ngoài ra, nó sẽ giảm hằng số giảm xóc ở mức độ lớn hơn vì tần số cộng hưởng chỉ tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của độ tự cảm. Do đó, nếu phản ứng từ mạch giảm nhiễu đã quá giảm xóc, việc thêm một cuộn cảm PCB nối tiếp giữa tụ giảm nhiễu và tải giảm nhiễu có thể đưa phản ứng gần hơn với giảm xóc tới hạn.

Nếu phản ứng nhìn thấy trên đường ray nguồn đã dưới giảm xóc, thì bạn cần tăng hằng số giảm xóc và giảm biên độ rung. Một cách đơn giản là sử dụng tụ điện có điện trở nối tiếp tương đương (ESR) lớn hơn. Lưu ý rằng tụ điện điện phân thường có giá trị ESR lớn hơn. Phương án khác là thêm một điện trở giảm nhiễu và cuộn cảm giảm nhiễu trước IC liên quan, như được hiển thị trong mạch dưới đây:

Mạch giảm nhiễu đầy đủ với tụ điện bypass

Lưu ý rằng L trong mô hình trên bằng với độ tự cảm của dẫn điện (ví dụ, độ tự cảm của mặt phẳng nguồn) dẫn đến tải trọng cộng với giá trị của cuộn cảm giảm xung. Hằng số giảm xóc trong mạng RLC tương đương được tạo thành từ tải trọng, tụ điện giảm xung, L, và R bằng với giá trị thông thường cho mạch RLC nối tiếp. Việc thêm cuộn cảm giảm tần số cộng hưởng tự nhiên trong khi thêm một điện trở nhỏ R có thể tăng cường độ giảm xóc trong mạch. Khi R bằng với giá trị quan trọng được hiển thị ở trên, thì phản ứng chuyển tiếp trong mạch này có thể được giảm xóc một cách quan trọng.

Điện trở PCB rất tốt để thêm giảm xóc. Tuy nhiên, bạn sẽ mất điện năng, vì vậy một điện trở giảm xung chỉ tốt khi nó có giá trị thấp để nó không làm giảm quá nhiều điện áp. Một cách nhìn khác về giảm xóc sẽ loại bỏ điện trở PCB và chỉ xem xét dung lượng giảm xung/bypass cùng với bất kỳ độ tự cảm nào giữa chúng và tải trọng.

Một Mạng Giảm Xung Khác

Mạng được hiển thị ở trên sẽ tăng giảm điện áp DC xuyên suốt PDN, do đó có một mạng giảm xung khác tiếp cận giảm xóc quan trọng:

Mạng giảm xung khác với tụ điện bypass

Những phương trình này cho bạn biết giới hạn của dung lượng bỏ qua và giảm nhiễu cho các giá trị ESR, ESL, và L nhất định, điều này sẽ mang lại sự giảm xóc quan trọng. Lưu ý rằng L không nhất thiết phải là một cuộn cảm thực; chúng ta có thể đang xem xét độ tự cảm của đường dây điện, mặc dù trong trường hợp như vậy, chúng ta sẽ có R tiến về không và ESR được kiểm soát dưới một giá trị nhất định.

Trong mạch giảm nhiễu này, điện trở quan trọng giống như đã được hiển thị trong mạng lưới trước đó. Tuy nhiên, cũng có một hạn chế về giá trị của các tụ điện bỏ qua và giảm nhiễu (đã được hiển thị ở trên). Tăng điện trở giảm xóc trong giới hạn được hiển thị ở trên sẽ khiến phản ứng chuyển sang chế độ quá giảm xóc, do đó làm chậm lại phản ứng tổng thể từ tụ điện giảm nhiễu RF.

Vai trò của Trở kháng PDN

Quan trọng là phải nhớ vai trò của độ tự cảm trong bất kỳ PDN nào, dù đó là yếu tố nhiễu loạn hay được đặt một cách có chủ ý. Quan điểm mạch điện cho rằng, một tụ điện bypass đặt giữa chân nguồn và chân đất trên tải sẽ cung cấp một đường dẫn trở kháng thấp đến đất cho tần số cao, cơ bản là làm giảm tổng trở kháng PDN dưới tần số tự cộng hưởng của tụ điện và khiến PDN trông giống như một bộ lọc thông thấp. Độ tự cảm là không có lợi và cuối cùng biến trở kháng hoàn toàn thành tự cảm.

Điều này nên minh họa điểm của việc đặt tụ điện giảm nhiễu RF trên PDN cùng với tụ điện bypass gần các IC lớn. Các tụ điện giảm nhiễu cung cấp một tập hợp các yếu tố trở kháng thấp song song, để tạo ra một trở kháng thấp tổng thể trong PDN.

Khi thiết kế một PDN cho PCB của bạn, bạn sẽ cần các công cụ bố trí và mô phỏng trong Altium Designer để đảm bảo bo mạch của bạn không gặp vấn đề về tính toàn vẹn nguồn và tính toàn vẹn tín hiệu. Sử dụng mô phỏng mạch sẽ giúp bạn đánh giá lựa chọn linh kiện và bố trí của mình, cũng như cho phép bạn hình dung hành vi điện trong PDN trong một sự kiện biến đổi.

Liên hệ với chúng tôi hoặc tải xuống bản dùng thử miễn phí nếu bạn quan tâm muốn tìm hiểu thêm về Altium Designer. Bạn sẽ có quyền truy cập vào các công cụ định tuyến, bố trí và mô phỏng tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm về điện trở PCB hoặc tụ điện.