Con l’aumento della complessità della progettazione PCB, un’alimentazione stabile e affidabile è diventata una nuova tendenza di ricerca suprogettazione PCB ad alta velocitàSoprattutto quando il numero di componenti di commutazione continua a migliorare costantemente e la Vcore diminuisce continuamente, le fluttuazioni di potenza tendono a esercitare un’influenza letale sul sistema. Pertanto, è diventato un punto chiave nella progettazione di PCB ad alta velocità mantenere la stabilità del sistema di alimentazione.
Tuttavia, a causa dell’esistenza dell’impedenza del sistema di alimentazione, la corrente transitoria del carico genera una caduta di tensione relativamente elevata nell’impedenza del sistema di alimentazione, il che porta all’instabilità del sistema. Per garantire che venga fornita alimentazione normale a ciascun componente dall’inizio alla fine, è necessario controllare l’impedenza nel sistema di alimentazione, il che significa che l’impedenza deve essere ridotta il più possibile.
L’applicazione del condensatore di disaccoppiamento è un modo efficace per limitare l’impedenza nel sistema di alimentazione. Questo articolo analizza le ragioni della limitazione dell’impedenza nel sistema di alimentazione tramite il condensatore di disaccoppiamento e elenca i metodi relativi alla scelta del condensatore di disaccoppiamento. Inoltre, si concentra principalmente su come determinare la posizione del condensatore di disaccoppiamento sulla base dell’analisi armonica, al fine di massimizzare la limitazione dell’impedenza nel sistema di alimentazione.
Analisi di impedenza
L’alimentazione e la massa possono essere considerate come un grande condensatore a piastre, la cui capacità viene calcolata in base alla formulaC=kAr/d
In questa formula,kè 0,2249 pollici;Asi riferisce all'area parallela tra due piani;rsi riferisce alla costante dielettrica del mezzo ed è pari a 4,5 per il materiale di scheda FR4 comunemente utilizzato;dsi riferisce alla distanza tra alimentazione e massa. Si prende come esempio un PCB delle dimensioni di 2x1 pollice. La capacità del condensatore formato da alimentazione e massa con un’area parallela di 20 mil è approssimativamente 0,2249x4,5x2x1/0,02 = 101,2 pF. In base a questa formula, si può indicare che la capacità di disaccoppiamento nel sistema di alimentazione è così piccola che l’impedenza corrispondente sarà molto grande, generalmente di alcuni ohm. Pertanto, è ben lontano dall’essere sufficiente ridurre l’impedenza tramite l’auto-disaccoppiamento nel sistema di alimentazione.
Uno strumento di simulazione SIWAVE a un livello di 2,5D viene applicato per eseguire la simulazione di impedenza sul dispositivo attivo. La rete di alimentazione e massa U41 viene selezionata per calcolare i parametri XYZ con un intervallo di sweep da 0 a 1 GHz, attraverso il quale si ottiene una curva di impedenza mostrata nella Figura 1 sottostante.
Nel diagramma si può vedere che la curva di impedenza varia con il cambiamento della frequenza e che l’impedenza cambia notevolmente nei punti di flesso ai valori di 670 MHz, 730 MHz e 870 MHz.
Metodi di proibizione
• Analisi teorica sull’impedimento dell’impedenza tramite condensatore di disaccoppiamento
Poiché è impossibile ridurre l’impedenza tramite il disaccoppiamento dall’alimentazione stessa, è necessario applicare un condensatore di disaccoppiamento per limitare l’impedenza.
La Figura 2 è un diagramma del sistema di potenza composto. La Figura 3 indica questo sistema di potenza in un modello di potenza equivalente.
Una formula può essere applicata per rappresentare questo circuito:V=ZxL. Si dovrebbe ottenere una condizione tale che, anche se la corrente transitoria di carico mantiene una grande variazione tra il punto A e il punto B, la variazione di tensione debba essere molto piccola tra i due punti. In base alla formula, questo obiettivo non può mai essere raggiunto a meno che il valore dell’impedenza (Z) è sufficientemente piccolo. Nella Figura 3, l’applicazione del condensatore di disaccoppiamento è utile alla realizzazione di questo obiettivo, quindi si può indicare che il condensatore di disaccoppiamento è in grado di ridurre l’impedenza nel sistema di alimentazione dal punto di vista dell’equivalenza. Inoltre, dal punto di vista dei principi dei circuiti, si può mantenere la stessa conclusione. Il condensatore presenta una bassa impedenza ai segnali in corrente alternata. Di conseguenza, la partecipazione del condensatore è in realtà certa nel ridurre l’impedenza in corrente alternata nel sistema di alimentazione.
• Selezione della capacità del condensatore di disaccoppiamento
Non esiste mai un condensatore ideale, presenta sempre parametri parassiti. La maggiore influenza sulle prestazioni ad alta frequenza del condensatore deriva da ESR (Resistenza Serie Equivalente) ed ESL (Induttanza Serie Equivalente). La Figura 4 mostra il modello equivalente con la considerazione dei parametri parassiti.
Il condensatore può anche essere considerato come un circuito armonico in serie, con la frequenza armonica in serie che segue la formula:f=1/2PIFC. Quando si trova in condizioni a bassa frequenza, mostra un comportamento capacitivo. Tuttavia, quando la frequenza aumenta, mostra costantemente il suo comportamento induttivo. In altre parole, la sua impedenza aumenterà inizialmente per poi diminuire con l’aumento della frequenza, e il valore minimo di impedenza equivalente si verifica alla frequenza di risonanza in serie.f0. In questo momento, la reattanza capacitiva e la reattanza induttiva si compensano correttamente, mostrando l’equivalenza tra il valore dell’impedenza e l’ESR con la minima resistenza equivalente del condensatore. La curva della frequenza del condensatore è mostrata in Figura 5.
Pertanto, nel processo di selezione dei condensatori, la frequenza armonica del condensatore scelto ricade in prossimità del punto di frequenza che sarà soggetto a disaccoppiamento. Le sue prestazioni capacitive devono essere sfruttate e utilizzate pienamente, per quanto possibile, prima della propria frequenza di auto‑risonanza.
I diversi condensatori con differenti capacità, compatibili con diverse frequenze di auto‑risonanza, sono riportati nella tabella seguente.
|
Capacità
|
DIP (MHz)
|
STM (MHz)
|
| 1,0μF |
2,5 |
5 |
| 0,1 μF |
8 |
16 |
| 0,01 μF |
25 |
50 |
| 1000pF |
80 |
160 |
| 100pF |
250 |
500 |
| 10 pF |
800 |
1,6(GHz) |
In generale, è necessario applicare le proprietà armoniche dei condensatori di disaccoppiamento e la più bassa impedenza di ingresso si ottiene tramite la combinazione in parallelo dei condensatori. La risposta in frequenza in parallelo di condensatori dello stesso tipo è illustrata nella Figura 6 qui sotto.
Sulla base di questo metodo, l’ESR e l’ESL equivalenti possono essere notevolmente ridotti. Per più condensatori (n) con la stessa capacità, la capacità equivalente C diventa nC dopo la combinazione mentre l’induttanza equivalenteLdiventaL/nla ESR equivalente diventa R/n. Tuttavia, la frequenza armonica rimane invariata. Si può vedere che, poiché le frequenze armoniche proprie sono le stesse per diversi tipi di condensatori, più condensatori sono in parallelo, minore è l’impedenza nelle zone capacitive e induttive, con il punto di frequenza armonica propria invariato.
In conclusione, nel processo di selezione dei condensatori di disaccoppiamento, la frequenza di disaccoppiamento dovrebbe essere considerata come il punto di frequenza di auto-risonanza del disaccoppiamento, in modo che si possa scegliere il condensatore corrispondente. Inoltre, l’applicazione in parallelo di più condensatori con la stessa capacità è in grado di migliorare la capacità di disaccoppiamento e ridurre l’impedenza.
• Determinazione delle posizioni dei condensatori di disaccoppiamento
Dopo la selezione dei condensatori di disaccoppiamento, occorre tenere conto della loro posizione. Il piano di alimentazione e di massa può essere considerato come una rete composta da più induttori e condensatori oppure come una cavità risonante. A una certa frequenza, si verifica la risonanza tra induttori e condensatori, influenzando l’impedenza nel sistema di alimentazione. Con l’aumento della frequenza, l’impedenza varia costantemente, soprattutto quando la risonanza parallela rimane significativa, e l’impedenza aumenta in modo marcato. Pertanto, le posizioni specifiche dei condensatori di disaccoppiamento devono essere determinate insieme all’analisi armonica del PCB.
Con la funzione di analisi di risonanza applicata dallo strumento di simulazione SIWAVE, vengono ottenuti i parametri equivalenti, tra cui resistenza, capacità e induttanza. Inoltre, è necessario eseguire l’analisi di risonanza del PCB ottenendo i modi di risonanza ai diversi punti di frequenza, come mostrato in Figura 7.
In combinazione con la Figura 1, si può osservare che diversi punti di frequenza con impedenza relativamente elevata sono compatibili con i punti di frequenza in cui si genera la risonanza. Pertanto, sulla base del risultato dell’analisi di risonanza, si può concludere che nelle aree con forte risonanza è opportuno collocare condensatori di disaccoppiamento con capacità adeguata, al fine di ridurre l’impedenza.
Prendendo come esempio il punto di frequenza di 673 MHz, i condensatori di disaccoppiamento possono essere collegati in parallelo in modo che la risonanza venga eliminata e la corrispondente impedenza venga soppressa, come mostrato in Figura 8.
Sulla base dell’analisi della risonanza del PCB, è possibile determinare le posizioni corrispondenti in cui si verifica la risonanza, in base alle quali vengono collocati in parallelo condensatori di dimensioni adeguate per sopprimere l’impedenza.
