Новости PCB - Руководство по проектированию развязки питания PCB

При проектировании системы распределения PCB инженеры сначала разделили всю конструкцию на четыре части: питание (батарея, преобразователь или выпрямитель), PCB, развязывающий конденсатор платы и развязывающий конденсатор чипа. В этой статье основное внимание будет уделено конденсаторам развязки PCB и чипов. Конденсаторы развязки плат обычно очень большие, около 10 мФ или больше, в основном для конкретных случаев.

Конструкция развязывающего конденсатора состоит из двух этапов. Во - первых, значения емкости рассчитываются на основе мощности, а затем конденсатор помещается на PCB. Правильно ли расстояние между конденсатором и цифровым чипом? Но люди часто упускают из виду, что PCB сам по себе является частью конструкции развязки. В этой статье будет обсуждаться, где монтажные платы подходят для проектирования развязок.

Требования к развязке

В основном, источник питания поставляет энергию цифровым чипам через провода. Этот источник питания может быть "далеко" от чипа. Линия электропитания - это провод 16 AWG длиной 5 дюймов и 20 - дюймовый шлейф длиной 4 дюйма. Эти провода имеют сопротивление, емкость и индуктивность, и все это влияет на передачу энергии. индуктивность пропорциональна длине провода и является причиной большинства проблем с качеством.

Маршрутизация требует тщательного рассмотрения, поскольку она определяет контур общей индуктивности и потока тока. Кольце может и может излучать электромагнитные помехи (EMI).

Помещение небольшого источника питания (например, конденсатора) рядом с чипом минимизирует длину следа от конденсатора к VCC - выводам чипа, тем самым уменьшая площадь кольца. Это позволяет минимизировать падение напряжения, вызванное индуктивностью провода. По мере того, как кольцевая дорога уменьшается, EMI также уменьшается.

Подключение цифрового чипа U1 непосредственно к источнику питания означает, что может потребоваться несколько дюймов проводки. Конденсатор C1 с паразитной индуктивностью L2 и R2 может быть вставлен в схему ближе к чипу на расстоянии менее 1 дюйма (рисунок 1). L3 - индуктивность провода между C1 и U1. L1 и R1 являются паразитическими параметрами провода от источника питания к конденсатору.

Таким образом, длина следа может быть уменьшена до уровня плотного уха, а сопротивление провода может быть уменьшено до уровня, который может быть применен. С2 здесь очень важен, и он определяет, сколько тока должно поставляться источником питания. C2 означает внутреннюю нагрузку U1 и внешнюю нагрузку, которую U1 должен приводить в движение. Когда S1 отключается, эти нагрузки подключаются к источнику питания и немедленно требуют тока.

Электрическая индуктивность является основным источником сопротивления между источником питания и переключателем. Например, для трассировки шириной 10 миль сопротивление, емкость и индуктивность составляют около 0,02 острова / дюйма, 2 pF / дюйма и 20 nH / дюйма соответственно. Это типичные данные о следах (микрополосах и полосах) и проводах, используемых на панелях PCB. При частоте около 100 кГц основным сопротивлением является индуктивное сопротивление J - Island L.

Таким образом, увеличение C1 имеет два эффекта. Один из них заключается в том, что во время переключения он уменьшает направляющую индуктивность между источником питания и чипом. Это защитит V1 (т.е. от Vcc до U1) от снижения напряжения ниже необходимого для правильной работы схемы. Кроме того, он может уменьшить площадь кольца высокочастотного тока и соответствующий EMI.

Таким образом, конденсатор удерживает V1, но насколько высоко нужно удерживать V1? Эта проблема в основном сосредоточена на шумовом запасе устройства, например, минимальном шумовом запасе напряжения VNmmin, который может существовать и по - прежнему позволяет правильной работе схемы. (Это немного трудно рассчитать, потому что фактическое значение зависит от шумового запаса полупроводника, который примерно пропорционален напряжению питания.) Согласно рисунку 1, правильная работа означает, что необходимо выполнить следующие условия:

VNMMINAI VPS? VZmax (1)

На этом рисунке VZmax полностью падает на L3.

Нынешний I также необходимо учитывать. Проще говоря, это ток, необходимый для цифрового ввода, и инженер - проектировщик должен обеспечить его поставку. Поскольку это максимальный требуемый ток Imax, максимальное сопротивление Zmax между источником питания и переключателем не будет больше:

* Zmax (VZmax / Imax) (2)

Провод от источника питания к чипу - это провод 16 - AWG длиной 5 дюймов и след длиной 4 дюйма и шириной 20 метров, который обеспечит индуктивность 100 нН. На некоторых частотах f индуктивное сопротивление будет больше, чем допустимый Zmax. Эта частота будет получена путем преобразования уравнения сопротивления индуктора:

fmax = = = Zmax = / 2NL (3)

На этой частоте C1 не может обеспечить достаточное напряжение для удовлетворения требуемого уровня шума устройства и не может успешно передавать информацию.

Десвязующие конденсаторы обеспечивают « высокочастотный» ток для чипов на PCB - панелях, в то время как источник питания обеспечивает « низкочастотный» ток. Чтобы определить размер конденсатора, сначала собрать информацию, необходимую для вычисления fmax. При частотах fmax ток « низкой частоты», предоставляемый источником питания, начинает уменьшаться. В то же время, ток, необходимый для загрузки U1, напряжение, необходимое для успешной работы этих устройств, и время преобразования также необходимы.

Для получения этих значений необходимо учитывать паразитную составляющую конденсатора. В течение короткого периода времени после преобразования основным источником питания U1 являются развязывающие конденсаторы и их паразитные элементы, эквивалентные последовательному сопротивлению (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивности (ESL). ESL состоит из двух частей: индуктивности провода и конденсаторной индуктивности. Первое - это то, что инженеры - дизайнеры пытаются минимизировать, а второе должно быть терпимым.

Чтобы определить размер развязывающего конденсатора, сначала определите емкостную нагрузку, которую должны приводить цифровые N и U1. Эта цифра и входная емкость следующего чипа, а также изменение напряжения со временем определяют требуемый максимальный ток. Электрический ток можно определить по знакомой формуле I = C * (dV / dt), здесь:

Это наихудшее изменение напряжения во время перехода от 0V к VPS. Обратите внимание, что при проектировании гибридной части напряжения используйте правильное напряжение, например, 3.3V / 5V.

Это время подъема импульсного сдвига U1 логического устройства. Есть много способов рассчитать время подъема, поэтому используйте время подъема в худшем случае или самое быстрое время подъема. Теперь напряжение при нагрузке должно исходить от развязывающего конденсатора, поэтому значение конденсатора рассчитывается по следующей формуле:

C = I / (dV / dt) (5)

Хотя мы уже определили значение развязывающего конденсатора, дизайн еще не завершен.

компоновка конденсатора

Затем инженер - проектировщик должен определить, где конденсатор должен быть размещен на PCB. Он должен быть помещен в положение, которое минимизирует емкость и индуктивность линии между чипами. Чувствительность также должна быть минимизирована без длины следа. При размещении конденсаторов на ПХБ минимизация индуктивности вместо минимизации длины линии следа позволит получить больше свободы проектирования. Во - первых, инженер - проектировщик должен определить максимальную длину доступных следов, чтобы сохранить максимальную свободу проектирования.

Инженер - конструктор должен иметь конденсатор, работающий от fmax (уравнение 3) до максимальной частоты. Определение этой верхней частоты требует понимания идеального выхода цифровой формы волны и необходимости сохранения этой формы в определенной степени. Это лишь малая часть конструкции целостности сигнала.

Идеальная цифровая схема передает прямоугольные импульсы в следующую схему. На самом деле, прямоугольные импульсы не могут быть реализованы, но трапециевидные импульсы могут быть реализованы. Проверьте последовательность Фурье трапециевидных импульсов и обнаружите, что трапециевидные импульсы состоят из основной частоты и всех гармоник. Конечно, сложив все вместе, можно достичь первоначального трапециевидного импульса.

Но что, если все гармоники не сложены? Что делать, если добавить только первые 5 или 10 гармоник? Достаточно ли гармоник для генерации трапециевидных импульсов, чтобы входная схема не могла легко обнаружить изменения? Оказывается, что в большинстве случаев просто добавление первых 10 гармоник может заставить восстановленную форму волны обмануть большинство цепей, а это означает, что большинство цепей не замечают изменений. Это определяет максимальную частоту, которую необходимо обрабатывать при проектировании развязывающих конденсаторов. Другим рекомендуемым методом является использование f = 1 / tr для определения максимальной частоты, в которой tr является временем импульсного подъема. На этой частоте гармоническая энергия очень мала и распадается со скоростью 40 дБ / 10 декаде.

Теперь можно определить допустимые изменения напряжения питания в худшем случае и приступить к проектированию. Для CMOS эта цифра является шумовой предварительной загрузкой VOH - VIH (проверьте эти значения из таблицы данных). Худшие изменения:

V = VCC (номинально) - (VOH + 10% * VCC) (6)

10% - это коэффициент снижения мощности.

Используйте уравнение 6 и ток и напряжение индуктора, чтобы определить максимально допустимую индуктивность L:

L = V / (dI / dt) (7)

Среди них L представляет собой общую тандемную индуктивность, введенную конденсатором, трассировочной линией, кабелем чипа и выводом, dI является максимальным изменением тока, dt - время подъема тока.

Длина слежения

Для двух или более конденсаторов они имеют разную длину следа при параллельном соединении с входным выводом питания чипа. Эффективная длина следа определяет, как далеко может быть размещен конденсатор. Длина линии непосредственно связана с индуктивностью линии. Таким образом, эффективная длина следа может быть получена с помощью формулы параллельной индуктивности, а эффективная длина следа IE:

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

Из них I1 и I2 представляют собой длину следа параллельного конденсатора. Максимальное расстояние между каждым параллельным конденсатором и выводом VCC составляет IE.

После того, как конденсатор был выбран и размещен на ПХБ, необходимо проверить, где будут появляться конденсаторы и паразитные индуктивности. Резонансная частота может быть получена по следующей формуле:

f = 1 / 2 н = н; в−ЛК (9)

Это L = IE SL + LTRACE.

На этой частоте конденсатор быстро становится индуктивным. Если резонансная частота происходит на частотах, которые намного ниже 10 * fpulse, проверьте конструкцию, чтобы принять компромиссные меры.

Использование нескольких развязывающих конденсаторов

При использовании N конденсаторов с одинаковой емкостью общий ESL и ESR снизится до 1 / N (рис. 2). Это особый случай, когда след конденсатора между источником питания и заземлением равен. Предположим также, что связь между датчиками очень мала. Кривая сопротивления n конденсаторов с одинаковой емкостью приближается к кривой одного конденсатора.

При использовании N конденсаторов с различными значениями конденсаторов ESR и ESL уменьшатся, но в кривую сопротивления вводятся резонансные пики, что приведет к серьезным проектным последствиям (рисунок 3). Опять же, предполагается, что длина маршрута одинакова.

Использование PCB

Не забывайте о PCB. Игнорирование многих преимуществ, которые он предлагает почти бесплатно, увеличит затраты на проектирование и добавит дополнительные компоненты. Эти дополнительные компоненты занимают дополнительное пространство, снижают общую надежность и могут увеличить EMI.

Уравнение 10 дает набор уравнений сопротивления параллельных плоскостей мощности. Это просто формула сопротивления последовательной схемы LRC. Эта формула будет полезна до тех пор, пока PCB не начнет работать, как линия передачи. Другими словами, если l < остров > / 20, то это полезно. Среди них l является максимальным размером PCB (диагональ), а остров - длиной волны, связанной с самой высокой частотой.

До сих пор сопротивление PCB было почти конденсативным и могло обеспечивать все необходимые токи, превышающие предельную частоту связанных конденсаторов. Поскольку ESR очень мал, а паразитическая индуктивность очень мала, PCB будет демонстрировать очень низкое сопротивление в относительно широком диапазоне частот.

Если PCB имеет два соседних источника питания и плоскость заземления, то он имеет хорошую внутреннюю емкость при проектировании. Для определения емкости ПХБ можно использовать формулу расчета параллельной плоскости:

C (pF) = остров (A / d) = 0.225 (остров r / d) A (11)

При измерении в дюймах последняя часть формулы действительна. Среди них Islandu = Islandu0 * Islandur, Islandu - диэлектрическая константа воздуха, которая составляет 8,85pF / m, а er - относительная диэлектрическая константа среды между панелями конденсаторов. Для материала FR4, ER равен 4.5. А - площадь между пластинами конденсатора, d - расстояние между пластинами.

На самом деле, способность PCB вводить ток в вывод VCC не имеет предела частоты. Конструкция PCB является сложной задачей, и существует множество доступных сред для увеличения максимальной частоты. Для материала FR4 верхний диапазон частот очень высок и превышает 2 ГГц, что делает большинство автомобильных схем PCB кажущимися бесконечными. На самом деле, верхняя частота определяется максимальным размером L и минимальной длиной волны Isla PCB.

К сожалению, в автоматической конструкции общая емкость PCB очень мала. Когда FR4 используется в качестве диэлектрика, расстояние между панелями составляет 20 футов и имеет фиксированный источник питания и плоскую емкость заземления, емкость PCB обычно составляет около 53 pF / квадратный дюйм. Четыре слоя FR4 PCB будут иметь определенную диэлектрическую толщину. Это изменение может быть вызвано технологическими изменениями, требуемой толщиной всей пластины, требуемой эластичностью или твердостью, толщиной меди (влияющей на толщину диэлектрика) и требованиями к напряжению пробоя. Толщина диэлектрика ПХБ без особых требований варьируется от 0,5 до 0,8 мм.

Качество конденсаторов PCB обычно очень хорошее, потому что индуктивность очень мала. Как упоминалось ранее, индуктивность является основной причиной деградации конденсаторов с частотой.

Небольшой размер конденсатора является примечательным фактором. Значения емкости, которые могут эффективно обеспечивать ток на PCB, обычно превышают 500 pF / квадратный дюйм. Это значение невозможно получить на FR4 - плате, поэтому требуется специальная конструкция и материалы PCB.

Преимущества EMC

В дополнение к получению целостности сигнала от хорошо продуманной распределительной системы, PCB также обеспечит более низкий EMI. Как отмечалось ранее, это объясняется главным образом уменьшением площади кольцевой дороги. Это проявляется в двух аспектах. Во - первых, закон Фарадея указывает, что площадь кольца A будет генерировать напряжение в цепь током, протекающим через другие цепи.

VINDUCED (V) = [(? AN / 2нd) * (dI / dt) * cos (°) (12)

Аналогичным образом, в цифровых схемах упрощенное выражение электромагнитного поля, вызванного электрическим контуром, показывает, что меньший контур имеет более низкое излучение:

E (V / m) = 263 * 10 - 16 * [f2A (I / r)] (13)

Эффективность затрат

Хорошо продуманная система распределения электроэнергии может сэкономить деньги. Уравнение 14 дает простую связь между уменьшением устройства и снижением стоимости.

До сих пор обсуждение вращалось вокруг предоставления тока чипу. Но дизайнеры могут захотеть ограничить поток тока к чипу. Помните, пока ток чипа ниже верхней частоты (10 * fmax) или 1 / tr. Дизайнеры не могут вступать в контакт с током на этих частотах. Но сверх определенной высокой частоты чип также может хорошо работать без электрического тока. Кроме того, поскольку эти токи могут генерировать EMI, их можно подавлять, тем самым уменьшая EMI.

Это описание руководства по проектированию развязки питания PCB. Ipcb также предоставляется производителям PCB и технологии производства PCB.