L'actualité PCB - Guide de conception de découplage d'alimentation PCB

Lors de la conception d'un système de distribution d'énergie PCB, les ingénieurs ont d'abord divisé l'ensemble de la conception en quatre parties: alimentation (batterie, convertisseur ou redresseur), PCB, condensateur de découplage de la carte et condensateur de découplage de la puce. Cet article se concentrera principalement sur les PCB et les condensateurs de découplage de puce. Les condensateurs de découplage de carte sont généralement très grands, de l'ordre de 10 MF ou plus, et sont principalement utilisés pour des occasions spécifiques.

La conception du condensateur de découplage comporte deux étapes. Tout d'abord, la valeur de la capacité est calculée à partir de la quantité électrique, puis le condensateur est placé sur le PCB. Exactement, le condensateur est - il à la bonne distance de la puce numérique? Mais les gens ont tendance à ignorer que les PCB eux - mêmes font partie de la conception de découplage. Cet article discutera de l'endroit où la carte s'applique à la conception de découplage.

Exigences de découplage

Fondamentalement, l'alimentation électrique fournit de l'énergie à la puce numérique via un fil. Cette alimentation peut être « loin » de la puce. Il n'est pas rare que le cordon d'alimentation soit un cordon 16 AWG de 5 pouces de long et une piste de 20 mils de 4 pouces de long. Ces fils ont une résistance, une capacité et une inductance, qui affectent toutes la transmission de l'énergie. L'inductance est proportionnelle à la longueur du fil et est responsable de la plupart des problèmes de qualité.

Le routage doit être soigneusement considéré, car il détermine l'inductance totale et la boucle parcourue par le courant. Cette boucle est apte et susceptible de rayonner des perturbations électromagnétiques (EMI).

Placer une petite source d'alimentation (par exemple un condensateur) à côté de la puce peut minimiser la longueur de trace du condensateur à la broche VCC de la puce, réduisant ainsi la zone de boucle. Ceci permet de minimiser la chute de tension induite par l'inductance du fil. À mesure que les boucles diminuent, l'EMI diminue également.

Connecter la puce numérique U1 directement à l'alimentation signifie que plusieurs pouces de câblage peuvent être nécessaires. Un condensateur C1 à inductances parasites L2 et R2 peut être inséré dans un circuit plus proche de la puce, à une distance inférieure à 1 pouce (Figure 1). L3 est l'inductance du fil entre C1 et U1. L1 et R1 sont les paramètres parasites du fil de l'alimentation au condensateur.

De cette manière, il est possible de réduire la longueur de la trace au niveau du mil et de réduire l'impédance du fil dans la mesure où elle peut être appliquée. Le C2 est très important ici, il détermine la quantité de courant que l'alimentation doit fournir. C2 représente la charge interne de U1 et la charge externe que U1 doit entraîner. Lorsque S1 est déconnecté, ces charges sont connectées à l'alimentation et nécessitent immédiatement un courant.

L'inductance est la principale source d'impédance entre l'alimentation et l'interrupteur. Par example, pour une trace de 10 mil de largeur, la résistance, la capacité et l'inductance sont respectivement de l'ordre de 0,02 îlot / pouce, 2 PF / pouce et 20 NH / pouce. Ce sont des données typiques des traces (lignes microruban et ruban) et des fils utilisés sur les cartes PCB. Lorsque la fréquence est supérieure à environ 100 kHz, l'impédance inductive J îlot l est l'impédance principale.

L'augmentation de C1 a donc deux effets. L'un est que lors de la commutation, il réduira l'inductance de guidage entre l'alimentation et la puce. Cela permet de protéger V1 (c'est - à - dire VCC à U1) contre la chute en dessous de la tension nécessaire au bon fonctionnement du circuit. En outre, il permet de réduire la zone de boucle dans laquelle circule le courant haute fréquence et l'EMI correspondent.

Le condensateur reste donc v1, mais à quelle hauteur faut - il maintenir V1? Ce problème se concentre principalement sur les marges de bruit du dispositif, par example la marge minimale de bruit de tension vnmmin, qui peut exister et qui permet encore un bon fonctionnement du circuit. (Ceci est un peu difficile à calculer car la valeur réelle dépend de la marge de bruit du semi - conducteur qui est approximativement proportionnelle à la tension d'alimentation.) selon la figure 1, un fonctionnement correct implique que les conditions suivantes doivent être remplies:

Vnmminâ ¥ VPS? Vzmax (1)

Sur cette figure, vzmax tombe complètement sur L3.

Le I actuel doit également être pris en compte. En termes simples, il s'agit du courant nécessaire à l'entrée numérique et l'Ingénieur de conception doit s'assurer de son alimentation. Puisqu'il s'agit du courant maximal IMAX nécessaire, l'impédance maximale zmax entre l'alimentation et l'interrupteur n'est pas supérieure à:

| zmax | â ¥ (vzmax / IMAX) (2)

Le câblage de l'alimentation à la puce est un fil 16 - AWG de 5 pouces de long et une piste de 4 pouces de long et 20 mil de large qui fournira une inductance de 100 NH. A certaines fréquences F, la réactance inductive sera supérieure à zmax tolérable. Cette fréquence sera obtenue par transformation de l'équation d'impédance de l'inductance:

Fmax = | zmax | / 2Íl (3)

Au - delà de cette fréquence, c1 ne fournit pas une tension suffisante pour respecter la tolérance au bruit requise par le dispositif et ne parvient pas à transmettre l'information.

Les condensateurs de découplage fournissent un courant "haute fréquence" à la puce sur la carte PCB, tandis que l'alimentation fournit un courant "basse fréquence". Pour déterminer la taille du condensateur, on recueille d'abord les informations nécessaires au calcul de fmax. A la fréquence fmax, le courant "basse fréquence" fourni par l'alimentation commence à diminuer. Dans le même temps, le courant nécessaire à la charge U1, la tension nécessaire au bon fonctionnement de ces dispositifs et le temps de conversion sont également nécessaires.

Pour obtenir ces valeurs, il faut tenir compte des composantes parasites du condensateur. Pendant un court laps de temps après la transition, l'alimentation principale de U1 est le condensateur de découplage et ses éléments parasites résistance série équivalente (ESR) et Inductance série équivalente (ESL). L'ESL comprend deux parties: une inductance de fil et une inductance Capacitive. Le premier est ce que les ingénieurs de conception tentent de minimiser, tandis que le second doit être toléré.

Pour déterminer la taille du condensateur de découplage, on détermine d'abord la charge Capacitive que les nombres N et U1 doivent piloter. Ce nombre et l'entrée Capacitive de la puce suivante et la variation de la tension au fil du temps déterminent le courant maximal requis. Le courant peut être déterminé par la formule familière i = c * (DV / DT), ici:

C'est le pire changement de tension pendant la conversion 0v en VPS. Veuillez noter que lors de la conception de la Section de tension mixte, utilisez la tension correcte, par exemple 3,3 V / 5 v.

C'est le temps de montée de la transition impulsionnelle du dispositif logique U1. Il existe de nombreuses façons de calculer le temps de montée, alors utilisez le temps de montée dans le pire des cas, ou le temps de montée le plus rapide. Maintenant, le courant que la charge tire vers le bas doit provenir du condensateur de découplage, de sorte que la valeur du condensateur est calculée en utilisant la formule suivante:

C = I / (DV / DT) (5)

Bien que nous ayons maintenant déterminé la valeur du condensateur de découplage, la conception n'est pas encore terminée.

Disposition des condensateurs

Ensuite, l'Ingénieur de conception doit déterminer où placer le condensateur sur le PCB. Il doit être placé dans un endroit qui peut minimiser la capacité et l'inductance des traces entre les puces. L'inductance doit également être minimisée sans longueur de trace. Minimiser l'inductance plutôt que de minimiser la longueur des traces permettra plus de liberté de conception lorsque des condensateurs sont placés sur un PCB. Tout d'abord, les ingénieurs de conception doivent déterminer la longueur maximale de piste disponible pour maintenir une liberté de conception maximale.

Le processus est le suivant: l'Ingénieur de conception a besoin d'un condensateur qui fonctionne de fmax (équation 3) à une certaine fréquence maximale. La détermination de cette fréquence limite supérieure nécessite de comprendre la sortie de forme d'onde numérique idéale et la nécessité de maintenir cette forme dans une certaine mesure. Ce n'est qu'une petite partie de la conception de l'intégrité du signal.

Le circuit numérique idéal transmet les impulsions rectangulaires au circuit suivant. En effet, les impulsions rectangulaires ne peuvent pas être réalisées, mais les impulsions trapézoïdales le peuvent. Examinez la séquence de Fourier des impulsions trapézoïdales et découvrez que les impulsions trapézoïdales sont composées de la fréquence fondamentale et de tous les harmoniques. Bien sûr, en additionnant tout, vous pouvez obtenir l'impulsion trapézoïdale originale.

Mais que se passe - t - il si tous les harmoniques ne sont pas additionnés? Que faire si vous ajoutez seulement les 5 ou 10 premières harmoniques? Y a - t - il suffisamment d'harmoniques pour produire des impulsions trapézoïdales qui empêchent le circuit d'entrée de détecter facilement les changements? Il s'avère que dans la plupart des cas, le simple ajout des 10 premiers harmoniques peut permettre à la forme d'onde restaurée de tromper la plupart des circuits, ce qui signifie que la plupart des circuits ne remarqueront pas le changement. Cela détermine la fréquence la plus élevée à traiter lors de la conception des condensateurs de découplage. Une autre méthode suggérée est d'utiliser f = 1 / tr pour déterminer la fréquence la plus élevée, où tr est le temps de montée de l'impulsion. A cette fréquence, l'énergie harmonique est très faible et décroît à 40 dB / 10 décade.

Il est maintenant possible de déterminer les variations tolérables de la tension d'alimentation dans le pire des cas et de commencer à concevoir. Pour le CMOS, ce nombre est le bruit pré - chargé VOh - VIH (Vérifiez ces valeurs dans la fiche technique). Les pires changements sont:

V = VCC (nominal) - (VOh + 10% * VCC) (6)

10% est le facteur de chute de l'alimentation.

En utilisant l'équation 6 et le courant et la tension de l'inductance, on détermine l'inductance maximale admissible L:

L = V / (di / DT) (7)

Où l est l'Inductance série totale introduite par les condensateurs, les traces, les fils de connexion de la puce et les conducteurs, etc., di est la variation maximale du courant et DT est le temps de montée du courant.

Longueur de suivi

Pour deux ou plusieurs condensateurs, leurs connexions en parallèle avec les broches d'entrée d'alimentation de la puce ont des longueurs de trace différentes. La longueur de trace effective détermine à quelle distance un condensateur peut être placé. La longueur de la trace est directement liée à l'inductance de la trace. Il est ainsi possible d'obtenir une longueur effective de trace par la formule de l'inductance parallèle, la longueur effective de trace Ie étant:

Ie = (I1 * I2) / (I1 + I2) (8)

Où I1 et I2 sont les longueurs de trace des condensateurs en parallèle. La distance maximale de chaque condensateur parallèle à la broche VCC est ie.

Une fois le condensateur sélectionné et placé sur le PCB, il est nécessaire de vérifier où la capacité et l'inductance parasite apparaîtront. La fréquence de résonance peut être obtenue par la formule suivante:

F = 1 / 2 Í = Íâ - LC (9)

Où l = ie SL + ltrace.

Au - dessus de cette fréquence, le condensateur devient rapidement inductif. Si la fréquence de résonance se produit sur une fréquence bien inférieure à 10 * fpulse, vérifiez la conception pour prendre des mesures de compromis.

Utilisation de plusieurs condensateurs de découplage

Si on utilise n condensateurs de même valeur de capacité, l'ESL et l'esr totaux tombent à 1 / N (Figure 2). C'est un cas particulier lorsque les traces du condensateur reliant l'alimentation et la masse sont égales. On suppose également que le couplage mutuel entre les inductances est faible. Les courbes d'impédance de n condensateurs de même valeur de capacité sont proches de celles d'un seul condensateur.

Si l'on utilise n condensateurs de valeurs capacitives différentes, l'esr et l'ESL diminueront, mais des pics de résonance seront introduits dans la courbe d'impédance, avec de graves conséquences de conception (Figure 3). Ici encore, supposons que la longueur des traces soit la même.

Utilisation de PCB

N'oubliez pas les PCB. Ignorer les nombreux avantages qu’il offre presque gratuitement augmentera les coûts de conception et ajoutera des composants supplémentaires. Ces pièces supplémentaires prendront de l'espace supplémentaire, réduiront la fiabilité globale et augmenteront probablement l'EMI.

L'équation 10 donne une formule d'impédance pour un ensemble de plans de puissance parallèles. Il s'agit simplement d'une formule d'impédance pour un circuit LRC en série. Cette formule est utile tant que le PCB ne commence pas à fonctionner comme une ligne de transmission. En d'autres termes, si l < Island > / 20, alors c'est utile. Où l est la plus grande dimension (Diagonale) du PCB et l'îlot est la longueur d'onde associée à la fréquence la plus élevée.

Jusqu'à présent, l'impédance PCB était presque Capacitive et pouvait fournir tout le courant nécessaire au - dessus de la fréquence de coupure du condensateur de couplage. Parce que l'esr est très faible et que l'inductance parasite est très faible, le PCB présentera une très faible impédance dans une gamme de fréquences relativement large.

Si le PCB a deux plans d'alimentation et de masse adjacents, il a une bonne capacité interne dans la conception. La formule de calcul de la capacité du plan parallèle peut être utilisée pour déterminer la capacité du PCB:

C (PF) = île (A / d) = 0225 (île R / d) a (11)

La dernière partie de la formule ci - dessus est valable lorsqu'elle est mesurée en pouces. Où islandu = islandu0 * islandu, islandu étant la permittivité diélectrique de l'air de 8,85 PF / M et er la permittivité diélectrique relative du milieu entre les plaques de condensateur. Pour le matériau fr4, er est égal à 4,5. A est l'aire entre les plaques du condensateur et D est la distance entre les plaques.

En fait, il n'y a pas de limite supérieure de fréquence à la capacité du PCB à entrer du courant dans les broches VCC. La conception de PCB est un sujet complexe et il existe de nombreux médias disponibles pour augmenter la fréquence limite supérieure. Avec le matériau fr4, la plage de fréquence supérieure est très élevée, au - delà de 2 GHz, ce qui donne à la plupart des circuits PCB automobiles l'impression que la fréquence supérieure est illimitée. En effet, la fréquence limite supérieure est déterminée par la taille maximale l et la longueur d'onde minimale Isla du PCB.

Malheureusement, dans la conception automatique, la capacité totale du PCB est très faible. Lorsque le fr4 est utilisé comme diélectrique, les cartes sont espacées de 20 mils et ont une alimentation fixe et une capacité de plan de masse, la capacité du PCB étant généralement d'environ 53 PF / pouce carré. Le PCB fr4 à 4 couches aura une certaine gamme d'épaisseurs diélectriques. Cette variation peut résulter d'un changement de procédé, de l'épaisseur requise pour l'ensemble de la plaque, de l'élasticité ou de la dureté requise, de l'épaisseur de cuivre (qui affecte l'épaisseur du diélectrique) et des exigences de tension de claquage. En l'absence d'exigences particulières, l'épaisseur du diélectrique PCB varie de 0,5 à 0,8 MM.

La qualité des condensateurs PCB est généralement très bonne car l'inductance est très faible. Comme mentionné précédemment, l'inductance est la principale cause de dégradation des condensateurs avec la fréquence.

La petite taille du condensateur est un facteur notable. La valeur de la capacité capable de fournir efficacement du courant sur le PCB dépasse généralement 500 PF / pouce carré. Il n'est pas possible d'obtenir cette valeur sur une carte fr4 et nécessite donc une conception et des matériaux de PCB spéciaux.

Avantages de EMC

En plus d'obtenir l'intégrité du signal d'un système de distribution d'énergie bien conçu, les PCB apporteront également un EMI inférieur. Comme mentionné précédemment, cela est principalement dû à la réduction de la zone de boucle. Cela se manifeste de deux façons. Tout d'abord, la loi de Faraday indique que la zone de boucle a apportera une tension au circuit par le courant qui traverse les autres circuits.

Vinduced (v) = [(? An / 2Íd) * (di / DT) * COS (°) (12)

De même, dans un circuit numérique, une expression simplifiée du champ électromagnétique induit par une boucle de courant montre que les boucles plus petites ont un rayonnement plus faible:

E (V / M) = 263 * 10 - 16 * [F2A (I / R)] (13)

Coût - efficacité

Un système de distribution bien conçu permet d'économiser de l'argent. L'équation 14 donne une relation simple entre la réduction du dispositif et la réduction du coût.

Jusqu'à présent, les discussions ont porté sur la fourniture de courant électrique à la puce. Mais le concepteur peut vouloir limiter le courant circulant vers la puce. Rappelez - vous, tant que le courant de la puce est inférieur à la fréquence supérieure (10 * fmax) ou 1 / tr. Le concepteur ne peut entrer en contact avec aucun courant à ces fréquences. Mais au - delà d'une certaine fréquence élevée, la puce fonctionne également bien sans courant. De plus, ces courants pouvant générer des EMI, il est possible de les supprimer et donc de réduire les EMI.

Ci - dessus est une introduction au Guide de conception de découplage d'alimentation PCB. IPCB est également fourni aux fabricants de PCB et à la technologie de fabrication de PCB.