Mit der zunehmenden Komplexität des PCB-Designs ist eine stabile und zuverlässige Stromversorgung zu einem neuen Forschungsschwerpunkt fürHochgeschwindigkeits-PCB-DesignInsbesondere wenn die Anzahl der Schaltkomponenten ständig zunimmt und die Vcore-Spannung kontinuierlich sinkt, neigen Leistungsschwankungen dazu, einen tödlichen Einfluss auf das System auszuüben. Daher ist es zu einem Schlüsselfaktor im High-Speed-PCB-Design geworden, die Stabilität des Stromversorgungssystems aufrechtzuerhalten.
Aufgrund der Existenz der Impedanz des Stromversorgungssystems wird jedoch durch den transienten Laststrom in der Systemimpedanz ein relativ großer Spannungsabfall erzeugt, was zur Instabilität des Systems führt. Um sicherzustellen, dass von Anfang bis Ende eine normale Stromversorgung für jede Komponente bereitgestellt wird, muss die Impedanz im Stromversorgungssystem kontrolliert werden, was bedeutet, dass die Impedanz so weit wie möglich verringert werden sollte.
Die Anwendung von Entkopplungskondensatoren ist ein wirksames Mittel, um die Impedanz im Stromversorgungssystem zu unterdrücken. Dieser Artikel analysiert die Gründe für die Impedanzunterdrückung im Stromversorgungssystem durch Entkopplungskondensatoren und führt Methoden zur Auswahl von Entkopplungskondensatoren auf. Darüber hinaus wird hauptsächlich untersucht, wie anhand der Oberschwingungsanalyse die Position von Entkopplungskondensatoren bestimmt werden kann, um die Impedanzunterdrückung im Stromversorgungssystem zu maximieren.
Impedanzanalyse
Leistungs- und Masseleitungen können als großer Plattenkondensator betrachtet werden, dessen Kapazität anhand der Formel berechnet wirdC=kAr/d
In dieser Formel,kbeträgt 0,2249 Zoll;Abezieht sich auf den parallelen Bereich zwischen zwei Ebenen;rbezieht sich auf die Dielektrizitätskonstante des Mediums und beträgt 4,5 für das häufig verwendete FR4-Plattenmaterial;dbezieht sich auf den Abstand zwischen Versorgungsspannung und Masse. Als Beispiel wird eine Leiterplatte mit den Abmessungen 2×1 Zoll herangezogen. Die Kapazität des von Versorgung und Masse gebildeten Kondensators mit einer parallelen Fläche von 20 Mils beträgt ungefähr 0,2249×4,5×2×1/0,02 = 101,2 pF. Auf Grundlage dieser Formel lässt sich erkennen, dass die Entkopplungskapazität im Stromversorgungssystem so klein ist, dass die entsprechende Impedanz sehr groß sein wird, im Allgemeinen einige Ohm. Daher ist es bei Weitem nicht ausreichend, die Impedanz nur durch die Eigendentkopplung im Stromversorgungssystem zu verringern.
Ein Simulationswerkzeug SIWAVE auf 2,5D‑Ebene wird eingesetzt, um eine Impedanzsimulation am aktiven Bauteil durchzuführen. Das Netz von Versorgung und Masse U41 wird ausgewählt, um XYZ‑Parameter mit einem Sweep‑Bereich von 0 bis 1 GHz zu berechnen, wodurch die in Abbildung 1 unten dargestellte Impedanzkurve erhalten wird.
Im Diagramm ist zu erkennen, dass sich die Impedanzkurve mit der Änderung der Frequenz verändert und dass sich die Impedanz an den Wendepunkten bei 670 MHz, 730 MHz und 870 MHz stark ändert.
Verbotsmethoden
• Theoretische Analyse der Impedanzunterdrückung durch Entkopplungskondensator
Da es unmöglich ist, die Impedanz durch die Entkopplung von der Versorgung selbst zu verringern, muss ein Entkopplungskondensator eingesetzt werden, um die Impedanz zu unterbinden.
Abbildung 2 ist ein Diagramm des zusammengesetzten Energiesystems. Abbildung 3 zeigt dieses Energiesystem in einem äquivalenten Energiemodell.
Eine Formel kann verwendet werden, um für diese Schaltung zu stehen:V=ZxL. Es sollte ein Zustand erreicht werden, in dem selbst dann, wenn der Lastsprungstrom zwischen Punkt A und Punkt B eine große Änderung aufweist, die Spannungsänderung zwischen diesen beiden Punkten sehr gering sein muss. Auf Grundlage der Formel kann dieses Ziel niemals erreicht werden, sofern der Wert der Impedanz nicht (Z) ausreichend klein ist. In Abbildung 3 ist die Anwendung des Entkopplungskondensators hilfreich für die Umsetzung dieses Ziels, sodass daraus geschlossen werden kann, dass der Entkopplungskondensator in der Lage ist, die Impedanz im Stromversorgungssystem aus der Perspektive der Äquivalenz zu verringern. Darüber hinaus kann aus der Sicht der Schaltungsprinzipien derselbe Schluss gezogen werden. Ein Kondensator weist bei Wechselstromsignalen eine geringe Impedanz auf. Infolgedessen führt der Einsatz eines Kondensators tatsächlich zwangsläufig zu einer Verringerung der Wechselstromimpedanz im Stromversorgungssystem.
• Auswahl der Kapazität des Entkopplungskondensators
Es gibt keinen idealen Kondensator, er weist immer parasitäre Parameter auf. Den größten Einfluss auf das Hochfrequenzverhalten des Kondensators haben ESR (Equivalent Series Resistance) und ESL (Equivalent Series Inductance). Abbildung 4 zeigt das Ersatzmodell unter Berücksichtigung der parasitären Parameter.
Ein Kondensator kann auch als Serienresonanzkreis betrachtet werden, dessen Serienresonanzfrequenz der folgenden Formel folgt:f=1/2PIFC. Wenn es sich im Niederfrequenzbereich befindet, zeigt es Kapazität. Wenn jedoch die Frequenz ansteigt, zeigt es durchgehend seine Induktivität. Anders ausgedrückt: Seine Impedanz steigt zunächst an und nimmt dann mit der Erhöhung der Frequenz wieder ab, und der Minimalwert der äquivalenten Impedanz tritt bei der Serienresonanzfrequenz auf.f0. Zu diesem Zeitpunkt heben sich kapazitiver und induktiver Blindwiderstand genau auf, was die Gleichwertigkeit zwischen dem Impedanzwert und dem ESR bei dem kleinsten äquivalenten Widerstand des Kondensators zeigt. Die Frequenzkurve des Kondensators ist in Abbildung 5 dargestellt.
Daher liegt bei der Auswahl des Kondensators der gewählte harmonische Frequenzpunkt des Kondensators in der Nähe des Frequenzpunkts, der entkoppelt werden soll. Seine kapazitiven Eigenschaften müssen nach Möglichkeit vollständig ausgenutzt und eingesetzt werden, bevor die Eigenresonanzfrequenz erreicht wird.
Im Folgenden sind verschiedene Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten aufgeführt, die mit unterschiedlichen Eigenresonanzfrequenzen kompatibel sind.
|
Kapazität
|
DIP (MHz)
|
STM (MHz)
|
| 1,0 μF |
2,5 |
5 |
| 0,1 μF |
8 |
sechzehn |
| 0,01 μF |
25 |
50 |
| 1000pF |
80 |
160 |
| 100pF |
250 |
500 |
| 10pF |
800 |
1,6(GHz) |
Im Allgemeinen müssen die harmonischen Eigenschaften von Entkopplungskondensatoren berücksichtigt werden, und der niedrigste Eingangswiderstand wird durch die Parallelschaltung von Kondensatoren erreicht. Die parallele Frequenzantwort von Kondensatoren desselben Typs ist in Abbildung 6 unten dargestellt.
Auf der Grundlage dieser Methode können der äquivalente ESR und ESL stark reduziert werden. Für mehrere Kondensatoren (n) mit derselben Kapazität wird die äquivalente Kapazität C nach der Kombination zu nC, während die äquivalente InduktivitätLwirdL/nDer äquivalente ESR wird jedoch zu R/n. Die Oberschwingungsfrequenz bleibt unverändert. Es ist ersichtlich, dass, da die Eigenresonanzfrequenzen für verschiedene Arten von Kondensatoren gleich sind, die Impedanz im kapazitiven und induktiven Bereich umso kleiner ist, je mehr Kondensatoren parallel geschaltet werden, während der Punkt der Eigenresonanzfrequenz unverändert bleibt.
Zusammenfassend sollte bei der Auswahl von Entkopplungskondensatoren die Entkopplungsfrequenz als Eigenresonanzfrequenzpunkt der Entkopplung betrachtet werden, sodass der entsprechende Kondensator ausgewählt werden kann. Darüber hinaus kann die Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren mit derselben Kapazität die Entkopplungsfähigkeit verbessern und die Impedanz verringern.
• Bestimmung der Positionen von Entkopplungskondensatoren
Nach der Auswahl der Entkopplungskondensatoren müssen deren Positionen berücksichtigt werden. Die Stromversorgungs- und Massefläche können als Netzwerk betrachtet werden, das aus mehreren Induktivitäten und Kapazitäten oder als Resonanzhohlraum besteht. Bei einer bestimmten Frequenz tritt Resonanz zwischen Induktivitäten und Kapazitäten auf, was die Impedanz im Stromversorgungssystem beeinflusst. Mit der Erhöhung der Frequenz ändert sich die Impedanz ständig, insbesondere wenn die Parallelresonanz deutlich ausgeprägt ist; dann steigt die Impedanz ebenfalls deutlich an. Daher sollten die konkreten Positionen der Entkopplungskondensatoren in Verbindung mit der Harmonischenanalyse der Leiterplatte festgelegt werden.
Mit der Resonanzanalysefunktion des SIWAVE-Simulationstools werden äquivalente Parameter wie Widerstand, Kapazität und Induktivität ermittelt. Darüber hinaus sollte die Resonanzanalyse der Leiterplatte durchgeführt werden, wobei die Resonanzmoden an verschiedenen Frequenzpunkten bestimmt werden, wie in Abbildung 7 dargestellt.
In Verbindung mit Abbildung 1 ist zu erkennen, dass mehrere Frequenzpunkte mit relativ hoher Impedanz mit den Frequenzpunkten übereinstimmen, bei denen Resonanz auftritt. Daher kann anhand des Ergebnisses der Resonanzanalyse gefolgert werden, dass in dem Bereich mit starker Resonanz Entkopplungskondensatoren mit geeigneter Kapazität platziert werden sollten, um die Impedanz zu verringern.
Am Beispiel des Frequenzpunkts von 673 MHz können Entkopplungskondensatoren parallel geschaltet werden, sodass die Resonanz verschwindet und die entsprechende Impedanz unterdrückt wird, wie in Abbildung 8 gezeigt.
Basierend auf der PCB-Resonanzanalyse können die entsprechenden Positionen, an denen Resonanz auftritt, bestimmt werden. Auf dieser Grundlage werden parallel Kondensatoren mit geeigneter Größe platziert, um die Impedanz zu unterbinden.
