Avec l’escalade de la complexité de la conception de circuits imprimés, une alimentation électrique stable et fiable est devenue une nouvelle tendance de recherche surconception de PCB haute vitesse. Surtout lorsque le nombre de composants de commutation ne cesse d’augmenter et que la tension Vcore ne cesse de diminuer, les fluctuations de puissance ont tendance à exercer une influence fatale sur le système. Par conséquent, maintenir la stabilité du système d’alimentation est devenu un point clé dans la conception de PCB à haute vitesse.
Cependant, en raison de l’existence de l’impédance du système électrique, une chute de tension relativement importante est générée par le courant transitoire de charge dans cette impédance, ce qui conduit à l’instabilité du système. Afin de garantir qu’une alimentation électrique normale soit fournie à chaque composant du début à la fin, l’impédance du système électrique doit être contrôlée, ce qui signifie qu’elle doit être réduite autant que possible.
L’application du condensateur de découplage est un moyen efficace d’interdire l’impédance dans le système d’alimentation. Cet article analyse les raisons de l’interdiction de l’impédance dans le système d’alimentation par le condensateur de découplage et énumère des méthodes concernant la sélection du condensateur de découplage. De plus, il étudie principalement comment déterminer la position du condensateur de découplage sur la base de l’analyse harmonique afin de maximiser l’interdiction de l’impédance dans le système d’alimentation.
Analyse d’impédance
La puissance et la masse peuvent être considérées comme un grand condensateur à plaques dont la capacité est calculée selon la formuleC=kAr/d
Dans cette formule,kest de 0,2249 pouce ;Afait référence à la zone parallèle entre deux plans ;rfait référence à la constante diélectrique du milieu, qui est de 4,5 pour le matériau de carte FR4 couramment utilisé ;dfait référence à la distance entre l’alimentation et la masse. Un PCB de taille 2x1 pouce est pris comme exemple. La capacité du condensateur formé par l’alimentation et la masse avec une surface parallèle de 20 mils est approximativement de 0,2249x4,5x2x1/0,02 = 101,2 pF. Sur la base de cette formule, on peut indiquer que la capacité de découplage dans le système d’alimentation est si faible que l’impédance correspondante sera très élevée, de l’ordre de quelques ohms en général. Par conséquent, il est loin d’être suffisant de réduire l’impédance par l’auto-découplage dans le système d’alimentation.
Un outil de simulation SIWAVE au niveau 2,5D est utilisé pour réaliser une simulation d’impédance sur le dispositif actif. Le réseau d’alimentation et de masse U41 est sélectionné pour calculer les paramètres XYZ avec une plage de balayage de 0 à 1 GHz, à travers laquelle une courbe d’impédance est obtenue, comme le montre la Figure 1 ci-dessous.
Sur le diagramme, on peut voir que la courbe d’impédance varie avec la fréquence et que l’impédance change fortement aux points d’inflexion situés à 670 MHz, 730 MHz et 870 MHz.
Méthodes d’interdiction
• Analyse théorique de l’interdiction d’impédance par le condensateur de découplage
Puisqu’il est impossible de diminuer l’impédance uniquement par le découplage de l’alimentation elle-même, il est nécessaire d’utiliser un condensateur de découplage pour réduire l’impédance.
La figure 2 est un schéma du système de puissance composé. La figure 3 indique ce système de puissance dans un modèle de puissance équivalent.
Une formule peut être appliquée pour représenter ce circuit :V=ZxL. Il faut parvenir à une situation telle que, même si le courant transitoire de charge subit un grand changement entre le point A et le point B, la variation de tension entre ces deux points reste très faible. D’après la formule, cet objectif ne peut jamais être atteint à moins que la valeur de l’impédance (Z) est suffisamment faible. Dans la Figure 3, l’application du condensateur de découplage est utile à la réalisation de cet objectif, de sorte qu’il peut être indiqué que le condensateur de découplage est capable de réduire l’impédance dans le système d’alimentation du point de vue de l’équivalence. En outre, du point de vue des principes de circuit, la même conclusion peut être maintenue. Le condensateur présente une faible impédance pour les signaux en courant alternatif. Par conséquent, la participation du condensateur est en réalité certaine de diminuer l’impédance en courant alternatif dans le système d’alimentation.
• Sélection de la capacité du condensateur de découplage
Il n’existe jamais de condensateur idéal, il présente toujours des paramètres parasites. La plus grande influence sur les performances haute fréquence du condensateur provient de l’ESR (résistance série équivalente) et de l’ESL (inductance série équivalente). La figure 4 montre le modèle équivalent prenant en compte les paramètres parasites.
Le condensateur peut également être considéré comme un circuit harmonique série dont la fréquence harmonique série suit la formule suivante :f=1/2PIFC. Lorsqu’il reste dans un environnement de basse fréquence, il présente un comportement capacitif. Cependant, lorsque la fréquence augmente, il présente constamment son inductance. En d’autres termes, son impédance augmentera d’abord puis diminuera avec l’élévation de la fréquence, et la valeur minimale de l’impédance équivalente se produit à la fréquence de résonance série.f0. À ce moment-là, la réactance capacitive et la réactance inductive s’annulent correctement, montrant l’équivalence entre la valeur de l’impédance et l’ESR avec la plus faible résistance équivalente du condensateur. La courbe de fréquence du condensateur est présentée à la Figure 5.
Par conséquent, lors du processus de sélection des condensateurs, la fréquence harmonique du condensateur choisi se situe à proximité du point de fréquence qui sera soumis au découplage. Ses performances capacitives doivent être pleinement exploitées et utilisées avant d’atteindre la fréquence d’auto-résonance, chaque fois que possible.
Différents condensateurs avec différentes capacités, compatibles avec différentes fréquences harmoniques propres, sont présentés dans le tableau ci-dessous.
|
Capacité
|
DIP (MHz)
|
STM (MHz)
|
| 1,0 μF |
2,5 |
5 |
| 0,1 μF |
8 |
16 |
| 0,01 μF |
25 |
50 |
| 1000pF |
80 |
160 |
| 100pF |
250 |
500 |
| 10pF |
800 |
1,6(GHz) |
En général, il est nécessaire d’appliquer les propriétés harmoniques des condensateurs de découplage, et la plus faible impédance d’entrée est obtenue grâce à la combinaison en parallèle de condensateurs. La réponse en fréquence en parallèle de condensateurs du même type est illustrée à la Figure 6 ci-dessous.
Sur la base de cette méthode, l’ESR et l’ESL équivalents peuvent être considérablement réduits. Pour plusieurs condensateurs (n) avec la même capacité, la capacité équivalente C devient nC après la combinaison tandis que l’inductance équivalenteLdevientL/n, l’ESR équivalent devient R/n. Cependant, la fréquence harmonique reste inchangée. On peut voir que, puisque les fréquences harmoniques propres sont identiques pour différents types de condensateurs, plus il y a de condensateurs en parallèle, plus l’impédance dans les zones capacitive et inductive est faible, tandis que le point de fréquence harmonique propre reste inchangé.
En conclusion, dans le processus de sélection des condensateurs de découplage, la fréquence de découplage doit être considérée comme la fréquence d’auto-résonance du découplage afin que le condensateur correspondant puisse être choisi. De plus, l’application en parallèle de plusieurs condensateurs de même capacité permet d’améliorer la capacité de découplage et de réduire l’impédance.
• Détermination des positions des condensateurs de découplage
Après la sélection des condensateurs de découplage, il faut prendre en compte leur position. Le plan d’alimentation et le plan de masse peuvent être considérés comme un réseau composé de multiples inductances et capacités, ou comme une cavité résonante. À une certaine fréquence, une résonance se produit entre les inductances et les capacités, influençant l’impédance du système d’alimentation. Avec l’augmentation de la fréquence, l’impédance varie en permanence, en particulier lorsque la résonance parallèle reste marquée, l’impédance augmente alors de manière significative. Par conséquent, les positions spécifiques des condensateurs de découplage doivent être déterminées en lien avec l’analyse harmonique du PCB.
Avec la fonction d’analyse de résonance de l’outil de simulation SIWAVE appliquée, des paramètres équivalents sont obtenus, notamment la résistance, la capacité et l’inductance. De plus, l’analyse de résonance du PCB doit être réalisée en obtenant les modes de résonance à différents points de fréquence, comme le montre la Figure 7.
Combiné à la Figure 1, on peut observer que plusieurs points de fréquence présentant une impédance relativement élevée correspondent aux points de fréquence auxquels une résonance est générée. Par conséquent, à partir du résultat de l’analyse de résonance, on peut conclure que, dans la zone où la résonance est importante, des condensateurs de découplage avec une capacité appropriée doivent être placés afin de réduire l’impédance.
Prenons comme exemple le point de fréquence de 673 MHz : des condensateurs de découplage peuvent être placés en parallèle de sorte que la résonance disparaisse et que l’impédance correspondante soit supprimée, comme le montre la Figure 8.
Sur la base de l’analyse de résonance du PCB, les positions correspondantes où la résonance se produit peuvent être déterminées, et des condensateurs de taille appropriée sont placés en parallèle à ces emplacements afin de supprimer l’impédance.
