Tính toán Tụ Bù: Bạn Nên Sử Dụng Kích Thước Nào cho IC Số?

Những tụ điện giảm xung này đã được chọn kích thước đúng cách chưa?

Điều mà thường xuyên được nhắc đến trong các hướng dẫn thiết kế PCB, bao gồm cả những "chuyên gia" thiết kế số tốc độ cao, là nhu cầu tìm ra kích thước tụ điện giảm xung phù hợp. Đôi khi, vấn đề này được giải quyết mà không hiểu rõ những tụ này cần thực hiện công việc gì trong một PDN hoặc vai trò của chúng trong việc đảm bảo tính toàn vẹn của nguồn điện. Tôi cũng đã thấy nhiều ghi chú ứng dụng mặc định theo hướng dẫn cũ hàng thập kỷ là đặt ba tụ điện để nối cầu giữa chân nguồn và chân đất trên một mạch tích hợp số (thường là 1 nF, 10 nF, và 100 nF, hoặc gì đó tương tự). Trong quá khứ, có lẽ điều này là đủ tốt; các vấn đề về tính toàn vẹn nguồn điện phát sinh trong các thành phần số tốc độ cao không đến nỗi xấu đến mức can thiệp vào điện áp lõi, vì vậy công việc do ba tụ điện thực hiện là đủ tốt.

Các mạch tích hợp nhanh hiện nay có nhiều đầu ra và điện áp lõi thấp (thấp đến mức 1.0 V) có những ràng buộc nhiễu chặt chẽ hơn nhiều so với các thành phần chậm hơn của ngày xưa. Ràng buộc nhiễu chặt chẽ hơn có nghĩa là cần có sự giảm nhiễu chính xác hơn. Do đó, bất kỳ nhà thiết kế nào làm việc với các MCU mạnh mẽ hợp lý ngày nay và nhiều thành phần kỹ thuật số khác cần biết cách chọn tụ giảm nhiễu phù hợp. Vậy cách tốt nhất để làm điều này là gì? Nói chung, có hai cách để thực hiện điều này. Hãy xem xét cả hai để xem làm thế nào để tính giá trị tụ giảm nhiễu và tại sao một huyền thoại cũ về ba tụ giảm nhiễu không còn liên quan trong thiết kế kỹ thuật số tốc độ cao hiện đại.

Hiểu về Mô hình Tụ Điện Tương Đương

Trước khi chúng ta bắt đầu chọn kích thước các tụ giảm nhiễu bạn cần cho một thiết kế kỹ thuật số, bạn cần hiểu mô hình mạch cơ bản cho một tụ điện. Dù chúng ta muốn tin rằng một tụ điện hoạt động chính xác như lý thuyết nói, thực tế lại không phải như vậy. Tất cả các tụ điện đều có một số độ tự cảm trên các chân dẫn định nghĩa phổ trở kháng của chúng, được mô hình hóa dựa trên thực nghiệm là một mạng lưới RLC nối tiếp:

Một mạch RLC tương đương được sử dụng để mô hình hóa một tụ điện

Trong mô hình này, ESR và ESL lần lượt là điện trở và cảm kháng tương đương của dãy. Giá trị của C có thể được lấy làm điện dung được trích dẫn trong bảng dữ liệu của linh kiện. Cuối cùng, giá trị của R tính toán cho dẫn điện của điện môi tạo thành tụ điện. Điều này tính toán cho sự rò rỉ tạm thời xảy ra trong bất kỳ tụ điện nào sau khi nó được sạc và loại bỏ khỏi mạch của nó. Giá trị này thường đủ lớn đến mức có thể bỏ qua.

Trong mô hình này (bỏ qua R), giá trị (ESR/(2*ESL)) là hằng số giảm xóc của mạch tương đương, giả sử tải nối vào hai đầu của mạch là 0 Ohm. Đây là thời gian tối thiểu cần thiết để mạch phản ứng với sự thay đổi trong điện áp đầu vào dưới điều kiện sạc/xả đầy đủ. Bảng dữ liệu cho tụ điện không liệt kê hằng số giảm xóc, thay vào đó, chúng chỉ hiển thị đồ thị phổ trở kháng như dưới đây. Nếu bạn muốn, bạn có thể sử dụng giá trị ESL và ESR trong bảng dữ liệu của mình để tính toán hằng số giảm xóc.

Cuối cùng, tất cả tụ điện thực tế đều có một tần số tự cộng hưởng bằng với giá trị cho bất kỳ mạch RLC nối tiếp nào, hoặc trong trường hợp này:

Tần số tự cộng hưởng có thể được thấy trong đồ thị phổ trở kháng. Một ví dụ về tụ điện AVX thực tế được hiển thị dưới đây:

Tụ bù nhiễu thực sự làm gì?

Đây là một câu hỏi tuyệt vời giúp chúng ta hiểu tại sao chúng ta cần có tụ bù nhiễu để đảm bảo tính toàn vẹn của nguồn điện cho các mạch tích hợp số. Tất cả các tụ điện đều lưu trữ điện tích trong trạng thái cân bằng khi được kết nối với nguồn điện một chiều; các bản cực trong tụ điện sẽ tích điện và giữ một lượng điện tích tổng cộng bằng Q = CV. Nếu V biến động hoặc giảm một chút, thì một phần của điện tích Q đó được giải phóng và cung cấp cho tải, giống như một pin nhỏ.

Vấn đề phát sinh trong các tụ điện thực tế được kết nối với mạch số là việc giảm điện áp không xảy ra ở một tần số duy nhất. Sự biến động phụ thuộc vào thời gian trong điện áp nguồn hoặc một cơn bùng nổ dòng điện đột ngột vào mạch thường sẽ xuất hiện như một đỉnh nhọn với tốc độ biên độ sắc nét trên máy hiện sóng. Điều này có nghĩa là phổ công suất liên quan đến tín hiệu đó sẽ được phân tán qua một loạt các tần số và sẽ chồng chéo với tự cộng hưởng. Kết quả là tụ điện sẽ phóng điện phản ứng và sẽ kích thích một dao động tạm thời trên bus nguồn. Nếu dòng điện này được rút vào PDN bởi một IC tụ điện số trên bus nguồn, dao động tạm thời trên bus nguồn sẽ xuất hiện như là hiện tượng rung tại chân nguồn. Tuy nhiên, nếu kích thước và số lượng tụ giảm xung đúng cách được chọn, thì sự biến động này có thể được giảm thiểu. Đây là lý do tại sao chúng ta có hướng dẫn kiên trì về ba tụ điện; đó là sự sắp xếp và kích thước ít tồi tệ nhất của chúng có thể cố gắng đảm bảo nguồn điện ổn định.

Phương pháp Chọn Kích Thước Tụ Giảm Xung

Giờ đây, khi chúng ta cơ bản biết được hành vi điện của các tụ điện thực, chúng ta có thể tiếp cận việc chọn kích thước chúng từ ba hướng:

• Sử dụng việc sạc tải trong miền thời gian: Các đường mạch trên PCB cơ bản là các tụ điện, và nhiệm vụ của tụ bù là cung cấp dòng điện mà một IC tụ điện cần để sạc một tải. Bạn có thể ước lượng tổng lượng điện tích và dung lượng cần thiết để sạc các đường truyền/dây truyền sử dụng dung lượng tải và thời gian chuyển tiếp/điện áp đỉnh yêu cầu.
• Sử dụng dao động mục tiêu, dòng điện bùng nổ, và phổ trở kháng: Điều này đòi hỏi việc thiết lập giới hạn cho việc rung của bus nguồn và sử dụng điều này để tìm ra dung lượng cần thiết để đưa phổ trở kháng của PDN xuống dưới trở kháng mục tiêu.
• Phản ứng xung trong miền thời gian: Đây là nơi bạn sẽ xem xét phản ứng chuyển tiếp của tụ điện trong một mô hình cho PDN. Bạn có thể tạo các mô hình hiện tượng học của PDN sử dụng sơ đồ mạch của bạn và sử dụng phân tích chuyển tiếp trong các mô phỏng SPICE, hoặc bạn có thể tính toán hàm chuyển PDN và các tham số Z sử dụng tính toán phản ứng xung. Khi bạn lặp qua các giá trị khác nhau của chúng, cuối cùng bạn có thể giảm trở kháng PDN xuống dưới mục tiêu của bạn.

Trong danh sách trên, chỉ có phương pháp đầu tiên là "đơn giản" và có thể cho bạn một ước lượng cơ bản về tổng lượng điện tích bạn cần lưu trữ trong ngân hàng tụ điện dựa trên thời gian tối thiểu cần thiết để nó cung cấp điện tích đó. Nếu bạn đang tách mạch kỹ thuật số có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn, thì bạn sẽ muốn chọn một tụ điện với hằng số giảm xóc tương đương có thể giảm xóc tới mức tới hạn hoặc hơi quá giảm xóc cho mạch để ngăn chặn hiện tượng rung trong quá trình xả. Miễn là tốc độ xả ngắn hơn thời gian chuyển mạch, thì tụ điện tách sẽ có thể nhanh chóng bù đắp cho sự biến động điện áp.

Ước lượng Tổng Dung lượng Tụ Điện Tách Dựa trên Việc Sạc Dây Dẫn

Cách đơn giản nhất để ước lượng tổng dung lượng là xem xét lượng điện tích tối đa cần được cung cấp cho một IC tụ điện, nó nên được cung cấp nhanh như thế nào đến IC, và kích thước của sự biến động điện áp cần được bù đắp. Vì hầu hết tải là tụ điện, bạn có thể liên hệ dòng điện đạt đến tải với tốc độ thay đổi điện áp của tín hiệu từ TẮT sang BẬT (hoặc ngược lại):

Lưu ý rằng bạn có thể áp dụng kỹ thuật tương tự cho tải trở hoặc tải cảm. Hãy xem xét một tải điện dung trên một IC số với nhiều đầu ra chuyển mạch sử dụng công thức này như máy tính tụ bù của chúng ta.

Ví dụ Đơn Giản: Một IC Số Với 12 Đầu Ra

Cách tốt nhất để hiển thị cách sử dụng phương trình này cho tải điện dung là thông qua một ví dụ. Giả sử bạn có một IC tụ điện số với 12 đầu ra, nơi mỗi tín hiệu đầu ra là 5 V với thời gian tăng 6 ns. Mỗi đầu ra điều khiển một tải với dung lượng tải 50 pF. Nếu bạn ước lượng thời gian tăng của tín hiệu là tuyến tính, thì đạo hàm trong phương trình trên có thể được viết là dV = 5 V, và dt = 6 ns. Do đó, dòng điện yêu cầu cho mỗi đầu ra là:

Dòng điện cho mỗi đầu ra từ IC ví dụ của chúng ta

Nếu tất cả 12 đầu ra đồng thời chuyển từ cao xuống thấp, thì tổng dòng điện đột biến từ PDN sẽ là 500 mA. Dòng điện đột biến này gây ra sự thay đổi trong tiềm năng của mặt đất, dẫn đến sự thay đổi trong tiềm năng tín hiệu, và tụ điện cần phải bù đắp cho sự thay đổi này trong tiềm năng tín hiệu. Nếu chúng ta giả sử ngưỡng cho trạng thái ON là 4.5 V, thì sự sụt áp cần được bù đắp là 0.5 V để ngăn chặn lỗi bit. Hơn nữa, điều này phải được bù đắp trong vòng 6 ns. Do đó, dung lượng tụ bù tối thiểu là:

Dung lượng tối thiểu của tụ bù ví dụ

Ở đây, bạn nên sử dụng ít nhất một tụ điện 6 nF để bù cho điện áp tối đa 0.5 V trong 6 ns. Lưu ý rằng một số hướng dẫn sẽ khuyến nghị sử dụng hai tụ điện 3 nF mắc song song trong ví dụ này vì điều này sẽ giảm ESR xuống một nửa, nhưng điều này cũng sẽ giảm ESL xuống một nửa, vì vậy tác động đến việc giảm xóc là không đổi. Nếu phản ứng của tụ điện là dưới tiêu chuẩn, bạn có thể chọn một tụ điện lớn hơn vì điều này đưa phản ứng gần hơn với trường hợp được giảm xóc tới mức tối ưu hoặc quá giảm xóc. Tuy nhiên, việc sử dụng hai tụ điện mắc song song giúp làm phẳng phổ trở kháng của mạng lưới PDN gần tần số cộng hưởng của tụ điện.

Chọn kích thước tụ điện giảm nhiễu từ Phản ứng Xung lực/Trở kháng PDN

Vấn đề với mô hình trên là gì? Vấn đề là nó không xem xét tất cả các khía cạnh của tụ điện giảm nhiễu thực tế hoặc một PDN thực sự trong một bảng mạch, bao gồm:

• ESL như đã chỉ ra ở trên trong mô hình trở kháng tụ điện tương đương
• Tụ điện và cảm kháng nhiễu trong PDN

Điểm thứ hai rất quan trọng và đòi hỏi phải có mô phỏng sau khi thiết kế bố trí. Phổ trở kháng của PDN không chỉ phụ thuộc vào các giá trị được rút ra từ máy tính tụ điện giảm nhiễu của bạn, mà còn phụ thuộc vào hình dạng của PDN (tức là, sắp xếp các lớp, vật liệu, kích thước của các bus, v.v.). Do phụ thuộc vào hình dạng, bạn sẽ cần xuất bố trí PCB của mình vào một công cụ giải quyết trường như Ansys.

Trở kháng PDN Với Khám phá Thiết kế

Điều này khó khăn hơn nhiều và đôi khi được tiếp cận từ một mô hình mạch. Thật không may, mô hình mạch không thể xem xét chính xác các khía cạnh thực tế của trở kháng PDN, vì vậy bạn nói chung cần một công cụ giải quyết trường để xác định các tham số Z, tham số S, hoặc các tham số mạng khác trong thiết kế của bạn. Một công cụ giải quyết trường cũng có thể được sử dụng để tính toán phổ trở kháng PDN, sau đó có thể được sử dụng để tính toán một hàm phản ứng xung với một phép biến đổi Fourier ngược. Đây là một chủ đề khám phá thiết kế khá phức tạp và xứng đáng có một hướng dẫn riêng, nhưng nó rất quan trọng khi bạn bắt đầu đối mặt với các thành phần rất nhanh cũng có điện áp lõi thấp và biên độ nhiễu chặt chẽ.

Chọn thêm Tụ điện Giảm nhiễu

Sau khi bạn đã trích xuất mô hình này từ một trình giải quyết trường, bạn có thể xác định những phần nào của phổ trở kháng PDN có trở kháng cao, và bạn có thể chọn thêm tụ điện giảm nhiễu nhắm vào những đỉnh trong phổ trở kháng PDN. Thêm vào tụ điện có cộng hưởng tự nhiên trùng với đỉnh trở kháng PDN (xem bên dưới), và tiếp tục thêm tụ điện song song cho đến khi trở kháng PDN giảm xuống dưới trở kháng mục tiêu. Nếu bạn không chắc về trở kháng mục tiêu cho PDN của mình, đọc bài viết này của Kella Knack để có ý tưởng tốt về giá trị mục tiêu bạn cần. Tôi cũng sẽ chuẩn bị một bài viết mới chỉ cách tính toán điều này một cách trực tiếp.

Với các bảng mạch hoạt động ở mức công suất thấp hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn và yêu cầu tiếng ồn chặt chẽ hơn, mọi nhà thiết kế đều nên có các công cụ họ cần cho việc tính toán, lựa chọn và đặt tụ điện giảm nhiễu và tụ điện bypass cho PCB của họ. Chỉ có Altium Designer cung cấp cho bạn các công cụ thiết kế sơ đồ và bố trí bạn cần để tạo ra các thiết kế mới cho bất kỳ ứng dụng nào. Bộ công cụ mô phỏng của Altium Designer cũng giúp bạn xác định các vấn đề về tính toàn vẹn năng lượng và kiểm tra hành vi biến động của mạng lưới điện năng của bạn.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện được với Altium Designer trên Altium 365. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về cách tính toán giá trị tụ bù, hãy liên hệ với một số chuyên gia của chúng tôi hoặc bắt đầu phiên bản dùng thử miễn phí của Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.