PCB Layout Tipps und Tricks: Minimierung der Entkopplungsinduktivität

SparkFun According to Pete #34: PCB Layout (Dezember 2018).

Anonim

PCB Layout Tipps und Tricks: Minimierung der Entkopplungsinduktivität


Dieser Artikel untersucht einige subtile Details im Zusammenhang mit der Hochfrequenzleistung von Entkopplungskondensatoren.

Zugehörige Informationen

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Im vorherigen Artikel haben wir die Frage untersucht, ob ein Entkopplungskondensator über eine Spur oder durch ein Paar von Durchkontaktierungen mit einem IC-Leistungsstift verbunden werden soll. Wir haben gesehen, dass die Vias-of-Vias-Technik überlegen ist, weil sie die Induktivität reduziert, und die Induktivität ist das Haupthindernis, das wir überwinden müssen, wenn wir sicherstellen wollen, dass Entkopplungskondensatoren bei Frequenzen von 50-100 MHz und sogar effektiv sind in die Hunderte von Megahertz.

Vias und Ebenen

In diesem Artikel werden wir das Problem der Entkopplungskondensator-Induktivität untersuchen, das sich auf Durchkontaktierungen und Ebenenkonfigurationen bezieht. Bevor wir jedoch auf diese Diskussion eingehen, müssen wir uns über folgenden Punkt im Klaren sein: Wenn wir tiefer in das Gebiet der Hochgeschwindigkeitsentkopplung gehen, konzentrieren wir uns mehr und mehr auf Ebenenverbindungen, bis schließlich die Spuren weitgehend ignoriert werden . Die folgenden Überlegungen werden helfen, dieses Phänomen zu kontextualisieren:

Hohe Induktivität

Wie wir im vorherigen Artikel gesehen haben, haben Traces einfach zu viel Induktivität im Vergleich zu Verbindungen, die auf Vias in Verbindung mit ebenen Schichten beruhen.

Flächenkapazität

Die Art und Weise, in der die Entkopplungskapazität mit den Ebenen wechselwirkt, scheint ein dominierender Faktor zu werden, wenn die Betriebsfrequenz zunimmt. Die Wissenschaft beginnt hier kompliziert zu werden, und ich habe nur eine begrenzte Fähigkeit, die Details zu verstehen und noch weniger die Fähigkeit, sie zu erklären. Eine interessante und direkte Aussage, die ich in diesem Artikel gefunden habe, weist darauf hin, dass der Entkopplungskondensator selbst in einigen Fällen durch die Induktivität so behindert wird, dass er den IC nicht wirklich mit Strom versorgen kann. Vielmehr liefert die Flächenkapazität den transienten Entkopplungsstrom, und die Aufgabe des Kondensators besteht darin, die Ebenen wieder aufzuladen.

Crowded Layouts

Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme beinhalten oft komplexe, platzbeschränkte Layouts, die den größten Teil der PCB-Immobilien Komponenten zuweisen. Es gibt wenig Platz für Spuren und folglich verwenden Board-Designer gerne Vias, wann immer dies möglich ist.

Verteilte Kapazität vs. Diskrete Kapazität

Wenn die plane Kapazität die wahre Quelle der Entkopplungsladung in einigen Hochgeschwindigkeits-Digital-Designs ist, muss der Kondensator wirklich "so nah wie möglich an dem Pin sein" "// ieeexplore.ieee.org/document/385878/" target = "_ blank"> dieses Forschungspapier. In den Worten der Autoren dieses anderen Papiers haben Hubing et al. behauptete, dass der Ort des Kondensators unter bestimmten Bedingungen "unwichtig" sei, obwohl sie ihre Schlussfolgerungen möglicherweise "über den Gültigkeitsbereich der Studie hinaus ausgedehnt haben". In jedem Fall ist dies ein weiteres Beispiel für die Bedeutung der Wechselwirkung zwischen dem Kondensator und die Ebenenschichten, die als "verteilte Kapazität" fungieren, überall auf der Platine vorhanden.

Minimierung der Induktivität

Die Gesamtinduktivität eines Entkopplungskondensators hängt von der Fläche der Stromschleife ab, die durch den Kondensator, die Durchkontaktierungen und die Ebenen gebildet wird.

Wie Sie sehen können, wird der Loop-Bereich sowohl vom Abstand zwischen den beiden Vias als auch vom Abstand zwischen dem Kondensator und den Ebenen beeinflusst. Daher sind die Entfernung zur Ebene und über die Trennung kritische Faktoren, die angegangen werden müssen, wenn das Ziel darin besteht, die Entkopplungsleistung zu verbessern.

Entfernung zum Flugzeug

Wenn Sie ein typisches vierschichtiges Board entwerfen, können Sie nicht viel tun, um den Abstand zur Ebene zu reduzieren - die Entkopplungsabdeckung befindet sich immer in der Nähe einer Ebene und weit entfernt von der anderen.

Wenn die Platine jedoch über mehr als vier Layer verfügt, können Sie die Position der Entkopplungskappen relativ zur Strom- und Masseebene flexibel anpassen. Dies ist auch ein guter Zeitpunkt, um darauf hinzuweisen, dass Sie viel verteilte Kapazität verlieren, wenn Sie die Strom- und Masseflächen nicht auf benachbarten Ebenen platzieren. Es scheint mir, dass ein digitales Hochgeschwindigkeitsdesign von der folgenden Konfiguration profitieren würde:

  1. Platzieren Sie so viele Hochgeschwindigkeits-ICs wie möglich auf einer der beiden Komponentenschichten (sagen wir, es ist die Oberseite).
  2. Ordnen Sie die Leistungs- und Masseebenen so an, dass sie der oberen Schicht benachbart und näher sind.
  3. Legen Sie alle Entkopplungskappen auf die obere Schicht, so dass sie kurze Verbindungen zu den Ebenen haben.

Über Trennung

Der erste Weg zur Verringerung der Durchkontakttrennung besteht in der Verwendung kleinerer Entkopplungskappen. Auf meinen Boards verwende ich 0603-Pakete, weil ich sie oft von Hand zusammenstelle; Wenn das Board von Maschinen montiert wird, ist 0402 eine bessere Wahl.

Die Minimierung der Induktivität ist nun eine Frage der Wahl der optimalen Via-Konfiguration:

Angepasst an das Diagramm auf Seite 29 dieses Dokuments .

Beachten Sie, dass wir uns hauptsächlich Gedanken über die Entfernung zwischen den beiden Vias machen. Somit ist das dritte Diagramm mit "gut" und das zweite mit "anständig" gekennzeichnet, obwohl die "anständige" Konfiguration kürzere Leiterbahnen verwendet, um die Kondensatoranschlüsse mit den Durchkontaktierungen zu verbinden.

Fazit

Ich hoffe, dass dieser Artikel Ihnen einen Einblick in die komplizierte Welt des digitalen Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs gegeben hat. Ich denke, es ist ziemlich klar, dass die Minimierung der Schleifenfläche der Schlüssel zur Verringerung der Induktivität und damit zur Verbesserung der Hochfrequenzleistung ist, aber ich bin mir nicht sicher, wie man (in bestimmten Situationen) zufällig Entkopplungskondensatoren auf der Leiterplatte verteilt. Wenn Sie irgendwelche Gedanken zu diesem Thema haben, zögern Sie nicht, sie in einem Kommentar zu teilen.