Leiterplattentechnisch - Leiterplattenlayout und Installation von Entkopplungskondensatoren

Die Bildung von Spitzenstrom:

Die Größe des Stroms, der aus der Stromversorgung gezogen wird, wenn die digitale Schaltung Ausgänge hoher Pegel unterscheiden sich im Allgemeinen von dem Strom, der während des Low-Level-Ausgangs eingespritzt wird, das ist, the current sinked during low-level output>the current drawn by the power supply.

Die Wellenform des Spitzenstroms variiert je nach Gerätetyp und kapazitiver Last, die an die Ausgangsklemme angeschlossen ist.

Die Hauptgründe für den Spitzenstrom sind:

Die T3- und T4-Röhren der Ausgangsstufe werden in der kurzen Ausführung gleichzeitig eingeschaltet. Im Prozess des NAND-Gates vom Ausgangspegel zum hohen Pegel erzeugt der negative Sprung der Eingangsspannung einen großen umgekehrten Antriebsstrom in der Basisschleife von T2 und T3, da die Sättigungstiefe von T3 größer als die von T2 Large ist, führt der umgekehrte Antriebsstrom dazu, dass T2 zuerst aus der Sättigung entweicht und abgeschnitten wird. Das Kollektorpotential steigt, wenn T4 eingeschaltet wird. Aber zu diesem Zeitpunkt war T3 nicht aus der Sättigung, so dass in einem sehr kurzen Design T3 und T4 gleichzeitig eingeschaltet werden, wodurch ein großer ic4 erzeugt wird, wodurch der Stromversorgungsstrom einen Spitzenstrom bildet. R4 in der Abbildung soll diesen Spitzenstrom begrenzen.

R4 in der Low-Power TTL-Gate-Schaltung ist größer, so dass sein Spitzenstrom kleiner ist. Wenn sich die Eingangsspannung von niedrig nach hoch ändert, ändert sich der Ausgangspegel des NAND-Gates von hoch nach niedrig. Zu diesem Zeitpunkt können T3 und T4 auch gleichzeitig eingeschaltet sein. Aber wenn T3 anfängt, eingeschaltet zu werden, ist T4 im Verstärkungszustand, und die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter der beiden Rohre ist größer, so dass der erzeugte Spitzenstrom kleiner ist und der Einfluss auf den Stromversorgungsstrom relativ klein ist.

Eine weitere Ursache für Spitzenstrom ist der Einfluss der Lastkapazität. Am Ausgang des NAND-Gates befindet sich tatsächlich ein Lastkondensator CL. Wenn der Ausgang des Gates von niedrig nach hoch wechselt, wird die Versorgungsspannung um T4 an den Kondensator CL geladen und bildet so einen Spitzenstrom.

Wenn der Ausgang des NAND-Gates von hohem zu niedrigem Pegel wechselt, entlädt sich der Kondensator CL durch T3. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Entladestrom nicht durch die Stromversorgung, so dass der Entladestrom von CL keinen Einfluss auf den Versorgungsstrom hat.

Unterdrückungsmethode des Spitzenstroms:

1. Ergreifen Sie Maßnahmen zur Verdrahtung der Leiterplatte, um die Streumkapazität der Signalleitung zu minimieren;

2. Eine andere Methode besteht darin, zu versuchen, den Innenwiderstand der Stromversorgung zu verringern, so dass der Spitzenstrom keine übermäßigen Spannungsschwankungen der Stromversorgung verursacht;

3. Die übliche Praxis ist es, Entkopplungskondensatoren zum Filtern zu verwenden, die normalerweise am Stromeingang der Leiterplatte platziert werden.

Ein 1uF～10uF Entkopplungskondensator zum Herausfiltern niederfrequenter Rauschen; Ein 0.01uF～0.1uF Entkopplungskondensator (Hochfrequenz-Filterkondensator) wird zwischen der Leistung und Masse jedes aktiven Geräts in der Leiterplatte platziert. Hochfrequentes Rauschen herausfiltern. Der Zweck des Filterns besteht darin, die Wechselstromstörungen herauszufiltern, die auf der Stromversorgung überlagert sind, aber es ist nicht so, dass je größer die Kapazität des verwendeten Kondensators, desto besser, weil der tatsächliche Kondensator kein idealer Kondensator ist und nicht alle Eigenschaften eines idealen Kondensators hat.

Die Auswahl des Entkopplungskondensators kann nach C=1/F berechnet werden, wobei F die Schaltungsfrequenz ist, d.h. 0.1uF für 10MHz und 0.01uF für 100MHz. Im Allgemeinen kann es 0.1~0.01uF sein.

Der neben dem aktiven Gerät platzierte Hochfrequenz-Filterkondensator hat zwei Funktionen. Eine besteht darin, hochfrequente Störungen herauszufiltern, die entlang der Stromversorgung geleitet werden, und die andere besteht darin, den Spitzenstrom, der für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Geräts erforderlich ist, rechtzeitig zu ergänzen. Daher muss die Platzierung des Kondensators berücksichtigt werden.

Aufgrund der parasitären Parameter des tatsächlichen Kondensators kann er dem Widerstand und der Induktivität entsprechen, die in Reihe auf dem Kondensator geschaltet werden, die als äquivalenter Reihenwiderstand (ESR) und äquivalenter Reiheninduktivität (ESL) bezeichnet werden. Auf diese Weise ist der eigentliche Kondensator eine Reihenresonanzschaltung.

Der tatsächliche Kondensator ist kapazitiv bei Frequenzen niedriger als Fr und induktiv bei Frequenzen höher als Fr, so dass der Kondensator mehr wie ein Band-Stop-Filter ist.

Der 10uF Elektrolytkondensator hat einen großen ESL und Fr weniger als 1MHz, der eine bessere Filterwirkung auf niederfrequentes Rauschen wie 50Hz hat, aber keinen Einfluss auf hochfrequentes Schaltrauschen von Hunderten von Megabytes hat.

Die ESR und ESL eines Kondensators werden durch die Struktur des Kondensators und des verwendeten Mediums bestimmt und nicht durch die Kapazität. Die Fähigkeit, hochfrequente Störungen zu unterdrücken, kann nicht verbessert werden, wenn ein Kondensator mit größerer Kapazität verwendet wird. Für denselben Kondensator-Typ ist bei einer Frequenz niedriger als Fr die Impedanz der größeren Kapazität kleiner als die der kleineren Kapazität, aber wenn die Frequenz höher als Fr ist, bestimmt ESL Es wird keinen Impedanzschied zwischen den beiden geben.

Die Verwendung zu vieler Kondensatoren mit großer Kapazität auf der Leiterplatte ist nicht hilfreich, um hochfrequente Störungen zu filtern, insbesondere bei Verwendung von Hochfrequenz-Schaltnetzteilen. Ein weiteres Problem ist, dass zu viele Kondensatoren mit großer Kapazität die Auswirkung auf die Stromversorgung beim Einschalten und Hot-Swapping der Leiterplatte erhöhen, was wahrscheinlich Probleme wie Spannungsabfall der Stromversorgung, Zündung des Leiterplattensteckers und langsamen Spannungsanstieg in der Leiterplatte verursachen wird.

Platzierung von Entkopplungskondensatoren in Leiterplattenlayout

Bei der Installation von Kondensatoren ist als erstes der Installationsabstand zu erwähnen. Der Kondensator mit der kleinsten Kapazität hat die höchste Resonanzfrequenz und den kleinsten Entkopplungsradius, so dass er am nächsten am Chip platziert wird. Die größere Kapazität kann weiter entfernt sein, und die äußerste Schicht hat die größte Kapazität. Allerdings sollten alle Kondensatoren, die den Chip entkoppeln, möglichst nah am Chip sein.

Ein weiterer Punkt, der beachtet werden sollte, ist, dass es beim Platzieren am besten ist, es gleichmäßig um den Chip zu verteilen, und dies muss für jede Kapazitätsstufe getan werden. Normalerweise wird die Anordnung der Leistungs- und Massepunkte berücksichtigt, wenn der Chip entworfen wird, und sie sind im Allgemeinen gleichmäßig auf den vier Seiten des Chips verteilt. Daher existieren Spannungsstörungen rund um den Chip, und die Entkopplung muss auch den gesamten Chipbereich gleichmäßig entkoppeln. Wenn die 680pF Kondensatoren in der obigen Abbildung alle auf dem oberen Teil des Chips platziert sind, aufgrund des Entkopplungsradiusproblems, dann kann die Spannungsstörung am unteren Teil des Chips nicht gut entkoppelt werden.

Kondensator-Installation

Wenn Sie den Kondensator installieren, ziehen Sie einen kurzen Leitungsdraht aus dem Pad heraus und verbinden Sie ihn dann mit der Leistungsebene durch das Durchgangsloch, und dasselbe gilt für die Erdungsanlage. Auf diese Weise ist die Stromschleife, die durch den Kondensator fließt: Leistungsebene-Durchgänge-Leitungsdrähte-Pads-Kondensatoren-Pads-Leitungsdrähte-Durchgänge-Erdungsebene, die folgende Abbildung zeigt intuitiv den Stromrückflusspfad.

Die erste Methode führt einen langen Leitungsdraht aus dem Pad heraus und verbindet sich dann mit dem Durchgangsloch. Dies führt zu einer großen parasitären Induktivität. Das muss vermieden werden. Das ist die schlechteste Installationsmethode.

Die zweite Methode bohrt Löcher an den beiden Enden des Pads neben dem Pad, das eine viel kleinere Straßenfläche als die erste Methode hat, und die parasitäre Induktivität ist auch klein, was akzeptabel ist.

Die dritte Art besteht darin, Löcher auf der Seite des Pads zu bohren, was den Schleifenbereich weiter reduziert, und die parasitäre Induktivität ist kleiner als der zweite Typ, was eine bessere Methode ist.

Die vierte Methode hat Löcher auf beiden Seiten des Pads. Verglichen mit dem dritten Verfahren ist es äquivalent, dass jedes Ende des Kondensators parallel mit der Leistungsebene und der Masseebene durch Durchkontaktierungen verbunden ist, die kleiner als die dritte parasitäre Induktivität ist. Raum erlaubt, versuchen Sie, diese Methode zu verwenden.

Die letzte Methode besteht darin, Löcher direkt auf die Pads zu bohren, mit der geringsten parasitären Induktivität, aber Schweißen kann Probleme verursachen. Ob es verwendet wird, hängt von der Verarbeitungsfähigkeit und Methode ab.

Die dritte und vierte Methode wird empfohlen.

Es muß betont werden, daß einige PCB-Ingenieure Verwenden Sie manchmal gemeinsame Durchkontaktierungen für mehrere Kondensatoren, um Platz zu sparen. Tun Sie dies unter keinen Umständen. Es ist am besten, einen Weg zu finden, um das Design der Kondensatorkombination zu optimieren und die Anzahl der Kondensatoren zu reduzieren.

Da je breiter die gedruckte Linie, desto kleiner die Induktivität, sollte die Führungslinie vom Pad zum Durchgang so breit wie möglich sein, und wenn möglich, versuchen, die gleiche Breite wie das Pad zu haben. Auf diese Weise können Sie auch dann, wenn es sich um einen Kondensator in einem 0402-Gehäuse handelt, einen 20mil-breiten Leitungsdraht verwenden.