Освоение высокоскоростного питания печатных плат: анализ и устранение импеданса для надежной работы

С ростом сложности проектирования печатных плат стабильное и надежное питание становится новым направлением исследований в высокоскоростном проектировании. Особенно когда число коммутирующих компонентов постоянно растет, а напряжение ядра (Vcore) снижается, колебания питания могут нанести фатальный ущерб системе. Поэтому поддержание стабильности системы питания становится ключевым моментом в высокоскоростном проектировании печатных плат.

Однако из-за наличия импеданса системы питания транзиентный ток нагрузки создает значительное падение напряжения на этом импедансе, что ведет к нестабильности системы. Чтобы обеспечить нормальное питание каждого компонента от начала до конца, импеданс в системе питания должен быть контролируем, то есть снижен до минимума.

Применение развязывающих конденсаторов — эффективный способ подавления импеданса в системе питания. Статья анализирует причины подавления импеданса развязывающими конденсаторами, перечисляет методы их выбора и в основном исследует, как определить положение развязывающих конденсаторов на основе гармонического анализа для максимизации подавления импеданса.

Анализ импеданса

Линии питания и земли можно рассматривать как большой пластинчатый конденсатор, ёмкость которого рассчитывается по формуле C = k·A·r/d.

В этой формуле k = 0,2249 дюйм; A — площадь параллели двух плоскостей; r — диэлектрическая проницаемость среды (для распространенного материала FR4 r = 4,5); d — расстояние между питанием и землей. Для платы размером 2×1 дюйм ёмкость конденсатора, образуемого питанием и землей с параллельной площадью 20 мил, составляет примерно 0,2249×4,5×2×1/0,02 = 101,2 пФ. Исходя из формулы, можно сказать, что развязывающая ёмкость в системе питания настолько мала, что соответствующий импеданс очень велик — обычно несколько ом. Поэтому саморазвязывание системы питания далеко недостаточно для снижения импеданса.

Для симуляции импеданса активного устройства применяется инструмент SIWAVE уровня 2,5D. Сеть питания и земли U41 выбрана для расчета XYZ-параметров в диапазоне частот 0–1 ГГц, что дает кривую импеданса на рисунке 1.

На диаграмме видно, что кривая импеданса меняется с частотой, а резкие изменения происходят в точках перегиба при 670 МГц, 730 МГц и 870 МГц.

Методы подавления

Теоретический анализ подавления импеданса развязывающим конденсатором

Поскольку снизить импеданс за счет саморазвязывания питания невозможно, необходимо применять развязывающие конденсаторы для подавления импеданса.

Рисунок 2 показывает схему составной системы питания. Рисунок 3 изображает эту систему в виде эквивалентной модели.

Схему можно описать формулой V = Z×L. Необходимо достичь того, чтобы даже при большом изменении транзиентного тока нагрузки между точками A и B изменение напряжения между ними было очень малым. Из формулы следует, что это невозможно, пока значение импеданса (Z) не станет достаточно малым. На рисунке 3 видно, что применение развязывающего конденсатора помогает достичь этой цели, то есть развязывающий конденсатор способен снизить импеданс в системе питания с точки зрения эквивалентности. С точки зрения принципов схемотехники тот же вывод справедлив: конденсатор имеет низкий импеданс на переменном токе, поэтому его включение неизбежно снижает переменнотоковый импеданс системы питания.

Выбор емкости развязывающего конденсатора

Идеального конденсатора не существует — у любого есть паразитные параметры. На высокочастотную характеристику конденсатора наибольшее влияние оказывают ESR (эквивалентное последовательное активное сопротивление) и ESL (эквивалентная последовательная индуктивность). Рисунок 4 показывает эквивалентную модель с учетом паразитных параметров.

Конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур с резонансной частотой f = 1/(2π√(LC)). На низких частотах он проявляет емкостные свойства, но с ростом частоты всё больше проявляет индуктивность. Иначе говоря, его импеданс сначала растет, затем падает с ростом частоты, а минимальное значение эквивалентного импеданса достигается на резонансной частоте f₀. В этот момент емкостное и индуктивное сопротивления взаимно компенсируются, импеданс равен ESR и составляет минимальное эквивалентное сопротивление конденсатора. Кривая частотной характеристики конденсатора показана на рисунке 5.

Следовательно, при выборе конденсатора его резонансная частота должна лежать рядом с частотой, требующей развязки. Емкостные свойства должны быть максимально использованы до собственной резонансной частоты.

В таблице ниже приведены резонансные частоты для разных конденсаторов в корпусах DIP и SMT.

Емкость	DIP (МГц)	SMT (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)

Обычно требуется использовать резонансные свойства развязывающих конденсаторов и получать минимальный входной импеданс параллельным соединением конденсаторов. Параллельная частотная характеристика конденсаторов одного типа показана на рисунке 6.

Этим методом можно значительно снизить эквивалентные ESR и ESL. Для n конденсаторов одинаковой емкости эквивалентная емкость становится nC, эквивалентная индуктивность — L/n, эквивалентный ESR — R/n. Резонансная частота при этом не меняется. Видно, что чем больше конденсаторов параллельно, тем меньше импеданс в емкостной и индуктивной областях, при неизменной резонансной частоте.

Вывод: при выборе развязывающих конденсаторов частоту развязки следует считать резонансной точкой конденсатора и подбирать соответствующий тип. Кроме того, параллельное применение нескольких конденсаторов одинаковой емкости улучшает развязку и снижает импеданс.

Определение положения развязывающих конденсаторов

После выбора конденсаторов нужно определить их размещение. Плоскости питания и земли можно рассматривать как сеть из множества индуктивностей и емкостей или как резонансную полость. На определенной частоте происходит резонанс индуктивностей и емкостей, влияющий на импеданс системы питания. С ростом частоты импеданс постоянно меняется, особенно при выраженном параллельном резонансе импеданс резко возрастает. Поэтому конкретные позиции развязывающих конденсаторов должны определяться в сочетании с гармоническим анализом печатной платы.

С помощью функции резонансного анализа инструмента SIWAVE получаются эквивалентные параметры: сопротивление, емкость и индуктивность. Проводится резонансный анализ печатной платы, получаются режимы резонанса на разных частотах, как показано на рисунке 7.

Сопоставив с рисунком 1, видно, что частотные точки с большим импедансом соответствуют частотам, на которых возникает резонанс. Следовательно, по результатам резонансного анализа в областях с сильным резонансом следует размещать развязывающие конденсаторы подходящей емкости для снижения импеданса.

В качестве примера возьмем частотную точку 673 МГц: развязывающие конденсаторы можно разместить параллельно, чтобы резонанс исчез и соответствующий импеданс был подавлен, как показано на рисунке 8.

На основе резонансного анализа печатной платы определяются позиции, где возникает резонанс, и туда параллельно устанавливаются конденсаторы подходящего размера для подавления импеданса.

Полезные ресурсы
• Факторы, влияющие на волновой импеданс печатной платы, и решения
• Контроль импеданса в проектировании высокоскоростных цифровых схем печатных плат
• Особенности импедансного проектирования гибко-жестких печатных плат
• Контроль импеданса переходных отверстий и его влияние на целостность сигнала в проектировании печатных плат
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценных опций
• Продвинутый сервис сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки