Розведення живлення та розв’язка з живлення для друкованих плат, ТОВ ПСБ технології
Хороші способи розв'язки дозволяють скоротити кількість конденсаторів, що розв'язують. Головним є правильний вибір конденсаторів та грамотне розведення.
1. СТРУМИ ПЕРЕКЛЮЧЕННЯ ЛОГІЧНИХ КОМПОНЕНТІВ
Не секрет, що при зміні логічних станів у більшості цифрових пристроїв виникає великий кидок струму, який слідує за фронтом тактового сигналу (рис. 1).
Наприклад, схемою, що працює на частоті 100 МГц і споживає в середньому близько 4 А, реально може знадобитися 20 А струму протягом перших кількох наносекунд тактової послідовності. (Причина виникнення великих струмів при зміні логічних станів розглянута у статті Б. Картера "Техніка розведення друкованих плат") Очевидно, що харчування цієї схеми від 20-амперного джерела збільшить розміри та вартість виробу. Менш очевидно, що паразитні послідовні індуктивності з'єднувальних проводів, провідників друкованої плати і висновків компонентів можуть унеможливити швидку реакцію у відповідь потужного джерела живлення на миттєві зміни струму. З іншого боку, недостатня здатність навантаження джерела призводитиме до виникнення нестабільних падінь напруг на шинах живлення і землі. Це зазвичай проявляється як високочастотний шум.
2. ЗАСТОСУВАННЯ КОНДЕНСАТОРІВ В ЯКОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ РОЗВ'ЯЗКИ ЖИВЛЕННЯ Застосування розв'язувальних конденсаторів дозволяє розподілити робочий струм між споживачами, використовуючи низькоімпедансні (тобто низькоіндуктивні для струмів ВЧ) шляхи Практично це означає, що конденсатори, що розв'язують, безпосередньо обслуговують цифрові компоненти, в той час як джерело живлення займається їх перезарядом. Ключем до створенняпрацездатною і вдалою схемою розв'язки є правильний вибір конденсаторів, що застосовуються, і правильне розведення ланцюгів їх підключення.
Використання конденсаторів як елементи розв'язки вимагає розуміння основ їхньої роботи. На малюнку 2а показаний ідеальний конденсатор - ємність для накопичення та зберігання заряду та для звільнення від нього. На малюнку 3 наведено частотну залежність імпедансу ідеального конденсатора - монотонне зменшення значення зі збільшенням частоти. Оскільки основний шум цифрових систем є високочастотним шумом (50 МГц), зменшення імпедансу на високих частотах добре відповідає задачі розв'язки ланцюгів живлення.
На жаль, поведінка реального конденсатора не така проста; його модель показано малюнку 2б. Фізичний пристрій реального конденсатора включає еквівалентний послідовний опір (ESR) і еквівалентну послідовну індуктивність (ESL). До того ж, реальний конденсатор має опір витоку. Сума цих паразитних ефектів призводить до зміни характеру частотної залежності імпедансу (рис. 3).
Нижча точка імпедансної залежності відома як частота власного резонансу. Розробники часто намагаються підібрати конденсатори із власною резонансною частотою, що знаходиться близько від робочої частоти системи. Однак параметри реальних конденсаторів роблять цей підбір недоцільним при тактовій частоті, що перевищує 100 МГц. Важливе правило, яке слід пам'ятати: конденсатори, що розв'язують, допустимо використовувати на частотах нижчих, ніж частота їх власного резонансу, доти, поки їх імпеданс на цих частотах залишається досить низьким.
Падіння напруги на еквівалентному послідовному опорі конденсаторапропорційно струму, що протікає через нього. Оскільки важливим є підтримання напруги живлення стабільним, бажаним є використання в ланцюгах розв'язки конденсаторів з малим ESR (тобто з меншим, ніж 200 мОм). Еквівалентна послідовна індуктивність визначає швидкість реагування конденсатора на зміни струму - конденсатори з нижчим значенням ESL будуть реагувати швидше на зміни струму, що дуже важливо для ланцюгів високочастотної розв'язки. Незважаючи на те, що, як параметр ESR більш широко описаний та вивчений, ESL, напевно, важливіший. Усі конденсатори для поверхневого монтажу, наведені в таблиці 1, мають досить низькі значення ESL.
| Типорозмір | ESL min (нГн) | ESL max (нГн) |
| 0402 | 0,54 | 1,90 |
| 0603 | 0,54 | 1,95 |
| 0805 | 0,70 | 1,94 |
| 1206 | 1,37 | 2,26 |
| 1210 | 0,61 | 1,55 |
| 1812 | 0,91 | 2,25 |
| з радіальними висновками | 6,0 | 15,0 |
| з осьовими висновками | 12,0 | 20,0 |
Конденсатори з матеріалом типу I як діелектрик не погіршують свої характеристики від часу та впливу температури, але мале значення діелектричної постійної робить їх використання як компоненти розв'язки неефективним. Конденсатори з матеріалом II типу (тобто X7R) є найкращим вибором через хорошу довготривалу стабільність (10% втрат протягом 10 років), температурні характеристики та високого значення діелектричної постійної. Матеріал типу III маєнайвищим значенням діелектричної постійної та поганими температурними показниками (від 50 до 75% втрат при роботі на граничних температурах) та поганою довготривалою стабільністю (20% втрат протягом 10 років). Серед популярних діелектриків багатошарова кераміка і синтетика мають невеликі еквівалентні послідовні індуктивність і опір. Керамічні конденсатори легко дістаються. Танталові конденсатори часто використовуються як загальні елементи розв'язки низької частоти, проте вони не підходять для локальної розв'язки.
У таблиці 1 показані типові значення ESL для різних типів конденсаторів корпусів. Типорозмір є визначальним елементом еквівалентної послідовної індуктивності - зазвичай конденсатор меншого розміру має менше значення ESL при такому ж значенні ємності. Конденсатори з великими значеннями ESL не підходять для використання як елементи розв'язки.
У загальному випадку, правильною стратегією є пошук конденсатора з найбільшою ємністю при найменших габаритних розмірах (це вірно лише з точки зору ESL, але не завжди правильно з точки зору іншого найважливішого параметра конденсаторів – діелектричної абсорбції – прим. перекладача). Однак за такого вибору необхідно бути уважним. Висота корпусу конденсатора досить значною мірою впливає на ESL. Для діапазонів ESL, що перекриваються, в таблиці 1 можливий вибір корпусу з меншим посадковим місцем на друкованій платі. Однак значення ESL може виявитися більшим. Тому при виборі типу конденсатора необхідно керуватися параметрами виробника визначення кращого компромісного варіанту.
3. ІНДУКТИВНІСТЬ ПРОВІДНИКА При розведенні компонентів і ланцюгів основною перешкодою хорошої розв'язки єіндуктивність. З дуже грубими наближеннями можна вважати, що індуктивність траси з хвильовим опором 50 Ом на матеріалі FR-4 складатиме близько 9 пГн на кожні 0,025 мм довжини. Індуктивність одиночного перехідного отвору приблизно дорівнює 500 пГн залежить від геометричної конфігурації.
Індуктивність пропорційна довжині, тому важливо мінімізувати довжину провідника між висновками компонента та конденсатора, що розв'язує. Індуктивність обернено пропорційна ширині траси, тому широкі провідники кращі, ніж вузькі. Пам'ятайте, що шлях струму завжди є петлю, і ця петля повинна бути мінімізована. Зменшення відстані між виведенням живлення компонента та виведенням конденсатора може і не зменшити загальну індуктивність. Як правильно розмістити конденсатор? Ближче до живлення компонента? Чи ближче до виведення землі? Чи посередині між цими висновками? Деякі джерела рекомендують розташовувати конденсатор поблизу виведення, найбільш віддаленого від полігону живлення або землі.
4. ВАРІАНТИ РОЗВЕДЕННЯ КОНДЕНСАТОРІВ РОЗВ'ЯЗАННЯ Хороша розводка надзвичайно важлива для ефективної роботи ланцюгів розв'язки. Як очевидно з таблиці 1, конденсатори зі значенням ефективної послідовної індуктивності менше 1 нГн цілком доступні. Додавання лише 2 нГн потроїть значення ESL конденсатора. Малюнок 4 демонструє зміну частоти власного резонансу та збільшення інтегрального реактивного опору при додаванні індуктивності провідника 2 нГн до власної індуктивності (0,8 нГн) конденсатора ємністю 4,7 нФ.
На малюнку 5 показано кілька методів розміщення та підключення конденсатора розв'язки. Для спрощення на схемах показані лише висновки конденсатора та виведення живлення активногокомпонента. З'єднанню між виведенням конденсатора та загальним виведенням живлення компонента також має бути приділено значну увагу.
На малюнку 5A показана конфігурація розведення, що найчастіше зустрічається. Виведення живлення компонента підключено коротким провідником до шини живлення у внутрішньому шарі через перехідний отвір. Конденсатор розв'язки, розташований з іншого боку плати, підключений до цього перехідному отвору. Незважаючи на те, що такий підхід часто обумовлюється простотою розведення, він дозволяє ефективно працювати ланцюгам розв'язки та економить простір розведення. Два одиночні отвори додадуть у ланцюг розв'язки близько 1 нГн паразитної індуктивності.
Якщо конденсатор розташований на відстані 50 міл (1,27 мм) від виведення компонента, то індуктивність, що додається, в кращому випадку складе близько 0,9 нГн. При більш віддаленому розміщенні конденсатора від активного компонента провідники будуть довшими, а паразитна індуктивність матиме більше значення.
Варіант B є значним поліпшенням варіанта A з розміщенням конденсатора розв'язки та активного компонента на одній стороні друкованої плати. Конденсатор підключений після індуктивності паразитної перехідного отвору. При досить коротких провідниках схема розв'язки додатково вносить менше 1 нГн паразитної індуктивності.
Варіант D є розвиток варіанта A - для зменшення власної індуктивності та збільшення розподіленої ємності провідники зроблені ширше, що також покращує характеристики ланцюга розв'язки.
Варіант E – модифікація варіанта B з ширшими провідниками та найкращими характеристиками.
На перший погляд здається, що варіант C зовсім не підходить для розведення ланцюгів розв'язки, оскільки немаєпровідників, що безпосередньо підключають активний компонент до конденсатора розв'язки; фактично вони обидва підключені через отвори до полігонів живлення та землі, які розташовані у внутрішніх шарах. При чотирьох отворах до ланцюгів розв'язки додасться щонайменше 2 нГн паразитної індуктивності. Однак дуже широкі провідники харчування і землі практично не додаватимуть індуктивності при невеликій довжині. Такий варіант розведення придатний, коли конденсатор розв'язки не може бути розміщений досить близько до активного компонента.
Варіант F – покращення варіанта C додаванням додаткових паралельних отворів. Таке додавання призводить до зменшення паразитної індуктивності перехідних отворів вдвічі, дозволяє поліпшити якісні характеристики схеми і повинно використовуватися щоразу, коли дозволяє місце.
5. ЗАСТОСУВАННЯ СКЛАДНИХ КОНДЕНСАТОРІВ Оскільки ємності при паралельному з'єднанні підсумовуються, а результуюча індуктивність зменшується, то паралельне з'єднання двох невеликих конденсаторів з однаковими значеннями ємності може призвести до якісного виграшу. Кінцевим результатом буде така ж ємність розв'язки та менша еквівалентна паразитна послідовна індуктивність.
Насправді зазвичай уникають використання конденсаторів з різними значеннями ємностей до створення локальної розв'язки. Складові конденсатори з різними ємностями мають частотну залежність імпедансу, що складається з частотних залежностей імпедансів окремих конденсаторів. Приклад показаний малюнку 6.
Конденсатор ємністю 47 нФ використовується для розв'язування низьких частот, а конденсатор ємністю 150 пФ для високих. На перший погляд, можна припустити, щопаралельне з'єднання цих конденсаторів дозволить покращити імпедансну характеристику.
На жаль, це негаразд. Таке з'єднання може спричинити суттєві проблеми на частотах, що знаходяться між власними резонансними частотами конденсаторів. На малюнку 7 видно, що комбінація двох конденсаторів створює антирезонансний пік (а, отже, підвищений опір) сумарної частотної характеристиці.
Джерело цієї проблеми легко визначається під час розгляду еквівалентної схеми, показаної малюнку 8. Результатом з'єднання паразитних компонентів конденсаторів є класичний резонансний контур.
Тим не менш, складові конденсатори, що використовуються як елементи розв'язки, досить широко використовуються в прецизійних схемах. В цьому випадку до вибору конденсаторів необхідно підходити з великою ретельністю, моделюючи схеми, що включають усі паразитні компоненти.
Joe Thompson Decoupling Strategies for PCBs PCD&M, October 2003