PCB-Neuigkeiten - Analyse von Bypass Kondensator in High Speed PCB

Analyse von Bypass Kondensator in Hochgeschwindigkeits-PCB

1 Einleitung

Wenn das Volumen des Systems abnimmt und die Betriebsfrequenz steigt, die Funktionen des Systems werden komplizierter, Das erfordert mehrere verschiedene eingebettete Funktionsmodule zur gleichen Zeit. Nur wenn jedes Modul eine gute EMV und niedrige EMI hat, kann die Realisierung der gesamten Systemfunktion gewährleistet werden. Dies erfordert nicht nur eine gute Abschirmleistung des Systems vor externen Störungen, aber auch keine ernsthaften EMI nach außen zu erzeugen, wenn gleichzeitig mit anderen Systemen gearbeitet wird. Darüber hinaus, Schaltnetzteile werden immer häufiger im digitalen Hochgeschwindigkeitssystem verwendet, und mehrere Netzteile werden oft in einem System benötigt. Nicht nur das Stromnetz ist störanfällig, aber das während der Stromversorgung erzeugte Geräusch kann ernsthafte EMV-Probleme für das gesamte System verursachen. Daher, in Hochgeschwindigkeit PCB-Design, Wie man Leistungsrauschen besser filtert, ist der Schlüssel zur Gewährleistung einer guten Netzintegrität. Dieser Artikel analysiert die Filtereigenschaften von Kondensatoren, Einfluss der parasitären Induktivität von Kondensatoren auf die Filterleistung, und das Stromschleifenphänomen in der Leiterplatte, und zieht dann einige Schlussfolgerungen zur Auswahl von Bypass-Kondensatoren. Dieser Artikel analysiert auch nachdrücklich den Erzeugungsmechanismus von Stromversorgungsgeräuschen und Ground Bounce Noise, und analysiert und vergleicht die verschiedenen Platzierungsmethoden von Bypass-Kondensatoren in der Leiterplatte anhand dieser.

2 Insertionsverlusteigenschaften, Frequenzgangcharakteristika und Filtercharakteristika von Kondensatoren

2.1 Einbruchverlusteigenschaften von idealen Kondensatoren

Die Fähigkeit des EMI-Leistungsfilters, Störgeräusche zu unterdrücken, wird normalerweise durch die Eigenschaften der Einfügedämpfung (Insertion Loss) gemessen. Die Einfügedämpfung ist definiert als das Verhältnis der von der Rauschquelle übertragenen Geräuschleistung P1 zur Last, wenn kein Filter an die Rauschleistung P2 angeschlossen ist, die von der Rauschquelle zur Last nach dem Anschließen des Filters übertragen wird, ausgedrückt in dB (Dezibel). Abbildung 1 zeigt die Einfügedämpfungseigenschaften eines idealen Kondensators. Es ist zu sehen, dass die Steigung der Einfügedämpfungskurve, die einem 1μF-Kondensator entspricht, nahe dem 20dB/10-fachen der Frequenz liegt.

Beachten Sie eine der Eigenschaften der Einfügedämpfung. Wenn die Frequenz steigt, steigt der Einfügedämpfungswert des Kondensators, d.h. der Wert P1/P2 steigt. Das bedeutet, dass nach der Filterung des Systems durch den Kondensator das Rauschen reduziert wird, das auf die Last übertragen werden kann. Die Fähigkeit des Kondensators, hochfrequentes Rauschen zu filtern, wird verbessert. Aus der Analyse der idealen Kondensatorformel, wenn der Kondensator konstant ist, je höher die Signalfrequenz, desto niedriger die Schleifenimpedanz, das heißt, der Kondensator ist leicht, Hochfrequenzkomponenten herauszufiltern. Die Schlussfolgerungen aus den beiden Aspekten sind die gleichen.

Beobachten Sie die Kurven, die verschiedenen Kondensatoren entsprechen. Wenn die Frequenz sehr niedrig ist, Die entsprechenden Einfügedämpfungswerte verschiedener Kondensatoren sind ungefähr gleich, aber mit zunehmender Frequenz, Der Einfügedämpfungswert eines kleinen Kondensators steigt um eine größere Kapazität. Wenn es langsamer ist, der Wert von P1/P2 wird langsamer ansteigen, Das bedeutet, dass große Kondensatoren leichter niederfrequentes Rauschen herausfiltern können. Daher, bei der Auslegung von Hochgeschwindigkeiten Leiterplatten, Wir platzieren normalerweise einen 1~10μF Kondensator am Leistungseingangsende der Leiterplatte, um niederfrequentes Rauschen herauszufiltern; Stelle a 0.01~0.1 zwischen der Stromversorgung und der Masse jedes Geräts auf der Leiterplatte. Der μF Kondensator filtert hochfrequentes Rauschen heraus.

Die Impedanz des zwischen Netzteil und Masse angeschlossenen Kondensators lässt sich nach folgender Formel berechnen: Zweck der Kondensatorenfilterung ist es, die im Stromnetz überlagerten Wechselstromkomponenten herauszufiltern. Aus der obigen Formel kann gesehen werden, dass, wenn die Frequenz konstant ist, je größer der Kapazitätswert ist. Je kleiner die Impedanz in der Schleife, desto einfacher ist es für das Wechselstromsignal, durch den Kondensator zur Masseebene zu fließen. Mit anderen Worten: Je größer der Kondensator-Wert, desto besser der Filtereffekt. Tatsächlich ist dies nicht der Fall, denn der eigentliche Kondensator ist nicht ideal. Alle Eigenschaften von Kondensatoren. Die tatsächliche Kapazität hat parasitäre Komponenten, die gebildet werden, wenn die Kondensatorplatten und -leitungen konstruiert sind, und diese parasitären Komponenten können dem Widerstand und der Induktivität entsprechen, die in Reihe auf dem Kondensator verbunden sind, normalerweise als äquivalenter Reihenwiderstand (ESR) und äquivalenter Reiheninduktivität (ESL) bezeichnet werden. Dieser Kondensator ist eigentlich ein Reihenresonanzkreis. Im eigentlichen Schaltungs- oder PCB-Design hat das Vorhandensein der parasitären Induktivität des Kondensators einen großen Einfluss auf die Filterleistung des Kondensators, so dass ein Kondensator mit einer relativ kleinen parasitären Induktivität im Systemdesign ausgewählt werden sollte.

2.2 High-frequency response characteristics of actual capacitors

From Section 2.1, Wir wissen, dass der tatsächliche Kondensator aufgrund der parasitären Induktivität arbeitet, die Kondensatorschaltung zu einem Reihenresonanzkreis macht. Die Resonanzfrequenz ist, wobei: L die gleichwertige Induktivität ist; C ist die tatsächliche Kapazität. Wenn die Frequenz kleiner als f0 ist, es erscheint als Kapazität; wenn die Frequenz größer als f0 ist, es erscheint als Induktivität. Daher, Der Kondensator ähnelt eher einem Bandstoppfilter als einem Tiefpassfilter. Die ESL und ESR eines Kondensators werden durch die Struktur des Kondensators und das verwendete dielektrische Material bestimmt, und nichts mit der Kapazität des Kondensators zu tun haben. Die Fähigkeit, hohe Frequenzen zu unterdrücken, wird nicht verbessert, indem große Kondensatoren des gleichen Typs ersetzt werden. Die Impedanz eines Kondensators mit größerer Kapazität desselben Typs ist kleiner als die Impedanz eines Kondensators mit geringer Kapazität, wenn die Frequenz niedriger als f0 ist, aber wenn die Frequenz größer als f0 ist, ESL bestimmt, dass es keinen Unterschied in der Impedanz zwischen den beiden gibt. Es ist zu sehen, dass zur Verbesserung der Hochfrequenzfiltereigenschaften, Es muss ein Kondensator mit niedrigerer ESL verwendet werden. Der effektive Frequenzbereich jeder Art von Kondensator ist begrenzt, und für ein System, Es gibt sowohl niederfrequentes als auch hochfrequentes Rauschen, Daher ist es normalerweise notwendig, verschiedene Arten von Kondensatoren parallel zu verwenden, um einen breiteren effektiven Frequenzbereich zu erreichen.
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