PCB Tecnico - Layout di PCB e installazione di condensatori di scoppiamento

La formazione della corrente di picco:

La grandezza della corrente prelevata dall'alimentatore quando il circuito digitale usce ad alto livello è generalmente diversa dalla corrente iniettata durante l'uscita a basso livello, cioè la corrente affondata durante l'uscita a basso livello> la corrente prelevata dall'alimentatore.

La forma d'onda della corrente di alimentazione di picco varia con il tipo di dispositivo utilizzato e il carico capacitivo collegato al terminale di uscita.

Le principali ragioni della corrente di picco sono:

I tubi T3 e T4 della fase di uscita sono accensi contemporaneamente nel design corto. Nel processo del gate NAND da basso livello di uscita a alto livello, il salto negativo della tensione di ingresso produce una grande corrente di azionamento inverso nel circuito di base di T2 e T3, poiché la profondità di saturazione di T3 è progettata per essere maggiore di quella di T2 Large, la corrente di azionamento inverso farà sì che T2 sfugga prima alla saturazione e si interrompa. Dopo che T2 è spento, il suo potenziale collettore aumenta, accendendo T4. Ma in questo momento T3 non è stato fuori di saturazione, quindi in un design molto breve, T3 e T4 saranno accesi allo stesso tempo, generando così un grande ic4, causando la corrente di alimentazione a formare una corrente di picco. R4 nella figura è progettato per limitare questa corrente di picco.

R4 nel circuito gate TTL a bassa potenza è più grande, quindi la sua corrente di picco è più piccola. Quando la tensione di ingresso cambia da bassa a alta, il livello di uscita del gate NAND cambia da alta a bassa. In questo momento, anche T3 e T4 possono essere attivati allo stesso tempo. Ma quando T3 inizia ad essere acceso, T4 è in stato di amplificazione e la tensione tra il collettore e l'emittente dei due tubi è più grande, quindi la corrente di picco generata è più piccola e l'impatto sulla corrente di alimentazione è relativamente piccolo.

Un'altra causa della corrente di picco è l'influenza della capacità di carico. C'è in realtà un condensatore di carico CL all'uscita del gate NAND. Quando l'uscita del cancello cambia da basso a alto, la tensione di alimentazione viene caricata da T4 al condensatore CL, formando così una corrente di picco.

Quando l'uscita del cancello NAND cambia da livello alto a livello basso, il condensatore CL scarica attraverso T3. In questo momento, la corrente di scarica non passa attraverso l'alimentazione elettrica, quindi la corrente di scarica di CL non ha alcun effetto sulla corrente di alimentazione.

Metodo di soppressione della corrente di picco:

1.Prendere misure sul cablaggio della scheda di circuito per ridurre al minimo la capacità errata della linea di segnale;

2. Un altro metodo è quello di cercare di ridurre la resistenza interna dell'alimentazione elettrica in modo che la corrente di picco non causi fluttuazioni eccessive di tensione dell'alimentazione elettrica;

3.La consueta pratica è quella di utilizzare condensatori di scoppiamento per il filtraggio, di solito posti all'ingresso di potenza della scheda di circuito.

Un condensatore di scoppiamento 1uF per filtrare il rumore a bassa frequenza; un condensatore di scoppiamento di 0,01 uF (condensatore di filtro ad alta frequenza) è collocato tra la potenza e la terra di ogni dispositivo attivo nella scheda di circuito. Filtra il rumore ad alta frequenza. Lo scopo del filtraggio è quello di filtrare le interferenze AC sovrapposte all'alimentazione, ma non è che più grande è la capacità del condensatore utilizzato, meglio, perché il condensatore effettivo non è un condensatore ideale e non ha tutte le caratteristiche di un condensatore ideale.

La selezione del condensatore di accoppiamento può essere calcolata secondo C = 1 / F, dove F è la frequenza del circuito, cioè 0,1uF per 10MHz e 0,01uF per 100MHz. Generalmente, può essere 0,1 ~ 0,01uF.

Il condensatore di filtro ad alta frequenza collocato accanto al dispositivo attivo ha due funzioni. Uno è quello di filtrare le interferenze ad alta frequenza condotte lungo l'alimentazione, e l'altro è quello di integrare tempestivamente la corrente di picco richiesta per il funzionamento ad alta velocità del dispositivo. Quindi è necessario considerare il posizionamento del condensatore.

A causa dei parametri parassitari del condensatore effettivo, può essere equivalente alla resistenza e all'induttanza collegate in serie sul condensatore, chiamate resistenza in serie equivalente (ESR) e induttanza in serie equivalente (ESL). In questo modo, il condensatore effettivo è un circuito risonante di serie.

Il condensatore effettivo è capacitivo a frequenze inferiori a Fr e induttivo a frequenze superiori a Fr, quindi il condensatore è più come un filtro di arresto di banda.

Il condensatore elettrolitico 10uF ha un grande ESL e Fr inferiore a 1MHz, che ha un effetto di filtraggio migliore sul rumore a bassa frequenza come 50Hz, ma non ha alcun effetto sul rumore di commutazione ad alta frequenza di centinaia di megabyte.

L'ESR e l'ESL di un condensatore sono determinati dalla struttura del condensatore e dal mezzo utilizzato, piuttosto che dalla capacità. La capacità di sopprimere le interferenze ad alta frequenza non può essere migliorata utilizzando un condensatore di capacità più grande. Per lo stesso tipo di condensatore, ad una frequenza inferiore a Fr, l'impedenza della capacità più grande è più piccola di quella della capacità più piccola, ma se la frequenza è superiore a Fr, ESL determina che non ci sarà differenza di impedenza tra i due.

L'uso di troppi condensatori di grande capacità sulla scheda di circuito non è utile per filtrare le interferenze ad alta frequenza, soprattutto quando si utilizzano alimentatori di commutazione ad alta frequenza. Un altro problema è che troppi condensatori di grande capacità aumentano l'impatto sull'alimentazione quando si accende e si scambia a caldo la scheda di circuito, il che potrebbe causare problemi come la caduta della tensione dell'alimentazione, l'accensione del connettore della scheda di circuito e un lento aumento della tensione nella scheda di circuito.

Posizionamento dei condensatori di scoppiamento nel layout del PCB

Per l'installazione di condensatori, la prima cosa da menzionare è la distanza di installazione. Il condensatore con la più piccola capacità ha la più alta frequenza risonante e il più piccolo raggio di scoppiamento, quindi è posizionato più vicino al chip. La capacità più grande può essere più lontana, e lo strato più esterno ha la capacità più grande. Tuttavia, tutti i condensatori che scoppiano il chip dovrebbero essere il più vicino possibile al chip.

Un altro punto da notare è che quando lo posizionamo, è meglio distribuirlo uniformemente intorno al chip, e questo deve essere fatto per ogni livello di capacità. Di solito la disposizione dei pin di alimentazione e terra viene presa in considerazione quando il chip è progettato, e sono generalmente distribuiti uniformemente sui quattro lati del chip. Pertanto, ci sono disturbi di tensione intorno al chip, e lo scoppiamento deve anche scoppiare l'intera area del chip in modo uniforme. Se i condensatori 680pF nella figura sopra sono tutti posizionati sulla parte superiore del chip, a causa del problema del raggio di scoppiamento, allora il disturbo della tensione nella parte inferiore del chip non può essere ben scoppiato.

Installazione del condensatore

Quando si installa il condensatore, estrarre un breve filo di piombo dal pad, e poi collegarlo al piano di alimentazione attraverso il foro via, e lo stesso vale per il terminale a terra. In questo modo, il circuito corrente che scorre attraverso il condensatore è: piano di potenza-via-cavi di piombo-pads-condensatori-pads-cavi di piombo-via-piano di terra, la figura seguente mostra intuitivamente il percorso di riflusso corrente.

Il primo metodo porta fuori un lungo filo di piombo dal pad e quindi si collega al foro via. Questo introdurrà una grande induttanza parassitaria. Ciò deve essere evitato. Questo è il metodo di installazione peggiore.

Il secondo metodo fa fori alle due estremità del pad accanto al pad, che ha una superficie stradale molto più piccola del primo metodo, e anche l'induttanza parassitaria è piccola, che è accettabile.

Il terzo tipo è quello di perforare fori sul lato del pad, che riduce ulteriormente l'area del ciclo e l'induttanza parassitaria è più piccola del secondo tipo, che è un metodo migliore.

Il quarto metodo ha fori su entrambi i lati del tampone. Rispetto al terzo metodo, è equivalente a che ogni estremità del condensatore sia collegata al piano di potenza e al piano di terra in parallelo attraverso vias, che è più piccola della terza induttanza parassitaria. Lo spazio permette, provare ad utilizzare questo metodo.

L'ultimo metodo è quello di forare direttamente i fori sui cuscinetti, con la minore induttanza parassitaria, ma la saldatura può causare problemi. Se usarlo dipende dalla capacità di elaborazione e dal metodo.

Si raccomandano il terzo e il quarto metodo.

Va sottolineato che alcuni ingegneri di PCB a volte utilizzano vias comuni per più condensatori al fine di risparmiare spazio. Non farlo in nessuna circostanza. È meglio trovare un modo per ottimizzare la progettazione della combinazione di condensatori e ridurre il numero di condensatori.

Poiché più ampia è la linea stampata, più piccola è l'induttanza, la linea di uscita dal pad alla via dovrebbe essere il più ampia possibile e, se possibile, cercare di avere la stessa larghezza del pad. In questo modo, anche se si tratta di un condensatore in un pacchetto 0402, è possibile utilizzare anche un cavo cavo largo 20mil.