Как проанализировать и запретить импеданс высокоскоростного питания печатной платы

С увеличением сложности конструкции печатных плат стабильное и надежное электропитание стало новой тенденцией исследований в области проектирования высокоскоростных печатных плат. Особенно, когда количество коммутационных компонентов постоянно увеличивается, а Vcore постоянно уменьшается, колебания мощности имеют тенденцию оказывать смертельное влияние на систему. Таким образом, это стало ключевым моментом в разработке высокоскоростной печатной платы для поддержания стабильности системы питания.

Однако в результате существования импеданса энергосистемы относительно большое падение напряжения создается переходным током нагрузки в импедансе энергосистемы, что приводит к нестабильности системы. Чтобы гарантировать, что нормальная мощность подается на каждый компонент от начала до конца, импеданс в системе питания должен контролироваться, а это означает, что импеданс должен быть уменьшен настолько, насколько это возможно.

Применение развязывающего конденсатора является эффективным способом предотвращения импеданса в энергосистеме. В данной статье анализируются причины запрета импеданса в энергосистеме с помощью развязывающего конденсатора и перечисляются методы выбора развязывающего конденсатора. Кроме того, в основном исследуется, как определить положение развязывающего конденсатора на основе гармонического анализа, чтобы максимизировать запрет импеданса в энергосистеме.

Анализ импеданса

Питание и землю можно рассматривать как большой пластинчатый конденсатор, емкость которого рассчитывается по формуле C=kAr/d

В этой формуле k равно 0,2249 дюйма; A относится к параллельной области между двумя плоскостями; r относится к диэлектрической проницаемости среды и составляет 4,5 для обычно используемого материала платы FR4; d относится к расстоянию между питанием и землей. В качестве примера взята печатная плата размером 2x1 дюйм. Емкость конденсатора, образованного питанием и землей с параллельной площадью 20 мил, составляет приблизительно 0,2249x4,5x2x1/0,02=101,2 пФ. Основываясь на этой формуле, можно указать, что емкость развязки в системе питания настолько мала, что соответствующий импеданс будет очень большим, обычно несколько Ом. Следовательно, недостаточно уменьшить импеданс за счет саморазвязки в системе питания.

Инструмент моделирования SIWAVE на уровне 2.5D применяется для моделирования импеданса на активном устройстве. Сеть питания и земли U41 используется для расчета параметров XYZ с диапазоном развертки от 0 до 1 ГГц, по которым получается кривая импеданса на рисунке 1 ниже.

На диаграмме видно, что кривая импеданса меняется с изменением частоты, а импеданс сильно меняется в точках перегиба при значениях 670 МГц, 730 МГц и 870 МГц.

Методы запрета

• Теоретический анализ ограничения импеданса с помощью развязывающего конденсатора

Поскольку невозможно уменьшить импеданс за счет развязки от самого источника питания, необходимо применить развязывающий конденсатор, чтобы запретить импеданс.

Рис. 2 представляет собой схему составной энергосистемы. На рис. 3 эта система питания показана в эквивалентной модели питания.

Для обозначения этой схемы можно применить формулу:V=ZxL. Должно быть достигнуто условие, что даже если переходный ток нагрузки поддерживает большое изменение между точкой A и точкой B, изменение напряжения между двумя точками должно быть очень небольшим. Основываясь на формуле, эта цель никогда не может быть достигнута, если значение импеданса (Z) не будет достаточно малым. На рисунке 3 применение развязывающего конденсатора полезно для достижения этой цели, поэтому можно указать, что развязывающий конденсатор способен уменьшить импеданс в энергосистеме с точки зрения эквивалентности. Кроме того, с точки зрения схемных принципов можно сделать тот же вывод. Конденсатор имеет низкое сопротивление сигналам переменного тока. В результате участие конденсатора фактически обязательно уменьшит полное сопротивление переменного тока в энергосистеме.

• Выбор емкости развязывающего конденсатора

Идеального конденсатора не бывает, он всегда имеет паразитные параметры. Наибольшее влияние на высокочастотные характеристики конденсатора оказывают ESR (эффективная последовательная индуктивность) и ESL (эффективное последовательное сопротивление). На рис. 4 показана эквивалентная модель с учетом паразитных параметров.

Конденсатор также можно рассматривать как последовательную гармоническую цепь с частотой последовательной гармоники по формуле:f=1/2PIFC. Когда он остается в условиях низкой частоты, он отображает емкость. Однако при повышении частоты он постоянно отображает свою индуктивность. Иными словами, его импеданс сначала будет расти, а затем уменьшаться с увеличением частоты, а минимальное значение эквивалентного импеданса имеет место на частоте последовательной гармоники f₀ . В это время емкостное реактивное сопротивление и индуктивное реактивное сопротивление правильно смещены, отображая эквивалентность между значением импеданса и ESR при наименьшем эквивалентном сопротивлении конденсатора. Кривая частоты конденсатора показана на рисунке 5.

Следовательно, в процессе выбора конденсатора выбранная точка частоты гармоники конденсатора находится рядом с точкой частоты, которая будет страдать от развязки. Его емкостные характеристики должны быть полностью применены и использованы до частоты собственной гармоники, когда это возможно.

Разные конденсаторы с разной емкостью совместимы с разной частотой собственных гармоник, как показано в таблице ниже.

Емкость	DIP (МГц)	СТМ (МГц)
1,0 мкФ	2.5	5
0,1 мкФ	8	16
0,01 мкФ	25	50
1000 пФ	80	160
100 пФ	250	500
10 пФ	800	1,6 (ГГц)

Как правило, необходимо применять гармонические свойства развязывающего конденсатора, а самый низкий входной импеданс достигается за счет параллельной комбинации конденсаторов. Параллельная частотная характеристика конденсаторов того же типа показана на рисунке 6 ниже.

Основываясь на этом методе, эквивалентные СОЭ и ЭСЛ могут быть значительно снижены. Для нескольких конденсаторов (n) с одинаковой емкостью эквивалентная емкость C становится nC после объединения, в то время как эквивалентная индуктивность L становится L/n, эквивалентное ESR становится R/n. Однако частота гармоники остается неизменной. Видно, что, поскольку частоты собственных гармоник одинаковы для разных типов конденсаторов, чем больше параллельных конденсаторов, тем меньше импеданс в емкостной и индуктивной областях, при неизменной точке частоты собственных гармоник.

В заключение, в процессе выбора развязывающих конденсаторов частоту развязки следует рассматривать как точку частоты собственной гармоники развязки, чтобы можно было подобрать соответствующий конденсатор. Кроме того, параллельное применение нескольких конденсаторов с одинаковой емкостью позволяет улучшить развязывающую способность и снизить импеданс.

• Определение положения развязывающих конденсаторов

После выбора развязывающих конденсаторов необходимо учитывать их положение. Плоскость питания и земли можно рассматривать как сеть, состоящую из нескольких катушек индуктивности и конденсаторов, или как резонатор. На определенной частоте возникает резонанс с катушками индуктивности и конденсаторами, влияющий на импеданс в энергосистеме. С повышением частоты импеданс постоянно меняется, особенно когда параллельный резонанс остается заметным, импеданс также заметно возрастает. Таким образом, особое положение развязывающих конденсаторов должно быть обеспечено в сочетании с гармоническим анализом печатной платы.

При использовании функции резонансного анализа инструмента моделирования SIWAVE выводятся эквивалентные параметры, включая сопротивление, емкость и индуктивность. Кроме того, резонансный анализ печатной платы должен быть реализован с получением режима резонанса в разных частотных точках, как показано на рисунке 7.

В сочетании с рисунком 1 можно заметить, что несколько частотных точек с относительно большим импедансом совместимы с частотными точками, в которых генерируется резонанс. Следовательно, по результатам резонансного анализа можно сделать вывод, что в зоне с серьезным резонансом следует размещать развязывающие конденсаторы с подходящей емкостью, чтобы уменьшить импеданс.

Возьмем в качестве примера точку частоты 673 МГц. Развязывающие конденсаторы можно разместить параллельно, так что резонанс будет потерян, а соответствующий импеданс будет запрещен, как показано на рисунке 8.

На основе анализа резонанса печатной платы можно определить соответствующие положения, в которых имеет место резонанс, исходя из того, какие конденсаторы подходящего размера размещены параллельно, чтобы исключить импеданс.

Полезные ресурсы
• Элементы, влияющие на волновое сопротивление печатной платы, и решения
• Управление импедансом при проектировании печатной платы высокоскоростной цифровой схемы
• Рекомендации по проектированию импеданса для гибко-жесткой печатной платы
• Импеданс Управление переходными отверстиями и их влияние на целостность сигнала при проектировании печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Расширенная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — начиная с 1 шт.