Dekuplaj kapasitörünü dört katmanlı PCB'ye nasıl yerleştirebilirim?

Dekuplaj kondansatörlerinin yerleştirilmesi ile ilgili bir teknoloji belgesini aradım ve ana fikir aşağıdaki resimde gösterilmiştir:

Makul olduğunu düşünüyorum ama dekuplaj kondansatörü ve MCU’yu aynı katmana koymak zorunda mıyım? başka cihazlar yerleştirmem uygun değil. Bu yüzden dekuplaj kapasitörünü alt tabakaya yerleştirmeyi seçiyorum.

PCB'm dört katmanlı (sinyal-güç-gnd-sinyal) birdir ve gücü ve gnd katmanlarını böldüğümde yukarıdaki resimde MCU pinlerine kapanan iki viya, güç ve gnd katmanının ağına dahil edilmeyecektir. İlk resimdeki f ile aynı güzel performansa sahip mi? Bu durumda, vize indüktansını almak zorunda mıyım?

Bu, analiz edilmesi gereken karmaşık bir sorundur ve birçoğunun, yalnızca kimsenin nasıl tamir edeceğini bilmediği belirli bir üründe belirli bir frekansta bir sorunla karşılaştığınızda önemlidir.

Bu cevap bir nevi yan nokta olsa da, bazı varsayımları ele almaktadır. Büyük endişe verici değil sadece yüksek frekans gürültüsü olan endişe verici baypas kapaklarından bahsediyoruz. Yüksek frekanslı gürültü, monolitik seramik kapaklar kullanılarak en iyi şekilde ele alınmaktadır (ESR, sadece asgari empedansınız elde edilebileceği için kaygısızdır). Daha büyük güç akılarının daha büyük tantal kapaklar gerektirmesi Buradaki frekans performansını görün:

SFR'yi (kendi kendine rezonant frekansı) avantajınıza kullanabilirsiniz. Bir 1GHz saatin sızdığını söylemek ile ilgili bir sorununuz varsa, 1Ghz'den biraz daha yüksek bir rezonansa sahip başka bir bypass kapağı ekleyerek başlayabilirsiniz. 0402 10pF (deneyimle, grafikten değil) 1Ghz civarında oldukça kendine özgü.

Ancak bu hikayenin sadece bir kısmı. Yüksek frekanslarda ne olur? Takılan endüktans bir rol oynar ve düzenin tahtadaki katmanlar arasında da devreye girdiği yer burasıdır. Örneğin, tahtada bir SMD kapaklı bir güç katmanı ve toprak katmanı, kırmızı renkle gösterilen aşağıdaki monte edilmiş endüktans döngü modeline sahiptir:

FR4'te 2 düzlem örneğinde (power / gnd), yüksek frekanslarda bile kapasitörün montajının büyük bir fark yaratabileceğini görebilirsiniz. Siyah iz kapaksız. Mavi ve kırmızı, farklı montaj indüktansları gösteren iki farklı montaj topolojisi göstermektedir.

Anti-rezonanslar yüksek oranlarda daha fazla soruna neden olabilir. Ve 1GHz + gürültüsünü umursamayacağınızı düşünebilirsiniz, ancak FCC olabilir ve dijital 500MHz sinyallerinizde temiz kenarlar istiyorsanız, o zaman o kare dalga için çok fazla harmoniğe ihtiyacınız olacak. Örneğin, 0.5nS yükselme süresine sahip bir 100Mhz saat en az 900Mhz harmonik gerektirir.

Peki ya paketin kendisi? Çıkış sürücüleriniz, giriş pinleriniz, bağlantı kablolarınız, toprak pinleriniz, güç pinleriniz var (fyi ecb = pcb)

Tam bir model böyle bir şeye benzeyebilir (çapraz bağlantı etkileri dahil). Boşluk düzlemi, kalıbın temsil edileceği yerdir. (Bypass Cap paketi için Equivalent L + R olan parçayı yok sayın - bu bypass için bazı bypasslarda bağlanmış bir ic için bu bit).

Mikrodalga probları kullanarak, yüksek frekanslı bir ağ analizörü ve özel TDR kalibrasyonu, paketin hem güç / toprak düzlemleri hem de çapraz bağlantı açısından etkisini tahmin edebilir.

Şimdi herşeyin üstüne, başlığı nereye koyacağınızla ilgili sorumuz var. Howard Johnson tarafından sistemin bir modelinin nasıl yapıldığını ve nasıl analiz edilip ölçüleceğini gösteren güzel bir yazı buldum . İşte örnek bir düzen ve her bir bölüme nasıl bakacağınız ve onu nasıl optimize edeceğinizi.

Maalesef, sunum sizin özel IC durumunuzu viyana ya da viyana sınırlamak için IC'yi geçmiyor. Modelle oynayabilir ve hangisinin daha fazla bypass sağladığını görebilir, ancak kapak etkilerini ve topraklama düzlemi kaplin gücünü hatırlayabilirsiniz. Bahse girerim, eğer çip, gürültü kaynağıysa, kalıp ve başlık arasındaki tüm endüktansı en aza indirirse, başlık için viyalların ayrıca F Hareketi'ne yakın ve simetrik olduğunu varsayarak en iyi sonuçları sağlar.

EDIT: Bu bilgiyi özetlemem gerektiği aklıma geldi. Tartışmadan, dikkatlice düşünülmesi gereken yüksek frekanslı çalışmanın birçok yönü olduğunu görebilirsiniz:

• Seçilen kapasitör tipi (paket büyüklüğü, malzeme ve değer)
• Power-Ground düzleminin kendisinin kapasitansı ve rezonansı
• kapasitörler montaj endüktansı (ICD / X2Y gibi özel SMD yüksek frekanslı kapak paketleri vardır)
• dijital tasarımların şaşırtıcı miktarda yüksek frekans harmoniğine ihtiyacı var
• İc paketleme türü
• son olarak düzen

$L_2=L_4=0$$L_1=L_3=minimum$

$L_2=L_4\ne0$$L_1=L_3=small$

Buna ek olarak, bu model, hem yol yollarını hem de güç yollarını mümkün olduğu kadar benzer tutarak hem toprak zıplamasını hem de güç kaynağı salınımlarını azaltmak için bypass kapağını neden daha etkin hale getirmek için düzenin neden simetrik olması gerektiğini gösterir.

Kapasitör yerleştirmedeki hedefiniz, besleme raylarının AC empedansını azaltmaktır. Tüm bunları yapmak istiyorsun:

• direnci en aza indirir
• endüktansı en aza indirir
• kapasitansı maksimize etmek

İz uzunluklarının oldukça kısa ve kalın olduğu varsayıldığında, direnç endüktansa göre önemsiz kalacaktır. Daha fazla kapasitans eklemek kolaydır. Endüktansı minimize etmek zor kısımdır.

Endüktansı tam olarak hesaplamak karmaşıktır, ancak daha basit olan bir kural vardır: Endüktans, akımın aktığı döngü tarafından çevrelenen alanla orantılıdır. Yüksek frekanslarda, güç raylarının endüktansı (direnç değil) daha önemli bir empedans olduğundan, amacınız dekuplaj kapağı boyunca endüktansın diğer her şeydeki endüktanstan daha düşük olmasını sağlamaktır. İdeal olarak, büyük bir farkla, temelde yaptığınız şey, IC tarafından üretilen yüksek frekanslı gürültüyü güç kaynağı raylarına indirgeyen bir filtredir.

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

C1'i aşağıya yerleştirirseniz, gürültü akımının viyana geçmesini gerektiren L3'te daha fazla endüktans ekliyorsunuzdur. Üstte olmaktan daha kötü, ama yeterince iyi mi? Uygulamanıza ve ne kadar gürültüye tahammül edeceğinize bağlı olacaktır.

Önerilen yerleşim planınızdaki gibi dört viyasa sahip olacaksanız, dördünüzün de güç uçaklarına bağlı olması daha iyi olacaktır. Ayrıca, onları pedlere mümkün olduğunca yaklaştırın, böylece onları bağlamak için izlere bile ihtiyacınız olmaz. Bu toplam endüktansı en aza indirecektir. Gürültü akımlarının kapasitörün "önüne" geçmesi konusunda endişelenmenize gerek yok. Besleme raylarının endüktansı (L2), yüksek frekanslı akımı bunu yapmaya zorlar, çünkü raylar çok daha büyüktür ve çok daha fazla döngü alanına sahiptir. Bunun yerine, kapasitörünüze endüktansı minimize etmeye odaklanın (L1, L3).

Ayrıca, L2'yi arttırmanın filtreyi iyileştirmesine rağmen, kapasitörün güç düzlemlerine bağlanan viazları uzaklaştırarak yaparsanız (örneğin F örneğinde olduğu gibi), o zaman bir döngü anteni ekleyerek yaptığınızı unutmayın. senin düzenin. Bu size daha kötü EMI performansı ve daha kötü zemin sıçraması sağlayacaktır. Buraya empedans eklemeniz gerekiyorsa, düşük dirençli bir direnç veya indüktör kullanın. Bununla birlikte, bunun nadiren gerekli olduğunu düşünürdüm: CPU'daki bir PC anakartı gibi çok yüksek hızlı bir düzeni inceleyin ve düzende kaçınılmaz ve içsel olanın ötesinde hiçbir L2 veya R2 bulamazsınız. Başka bir bileşen ekleyecekseniz, neden kapasitansı iki katına çıkaracak ve istenmeyen endüktansları yarıya indirecek başka bir dekuplaj kondansatörü ekleyemiyorsunuz?

Elektrik yükleri birçok yoldan akar.

Talaş, çip bir çift güç pimi boyunca bir güç darbesi çektiği zaman elektronların gittiği yolu çizmeye çalışıyorum - biri pozitif, diğeri GND. Tüm panodaki her kondansatör için, elektronlar kapalı bir yolda (bir devre) bu kondansatörden bir yol boyunca bir güç pimine ve diğer güç pimini de aynı kapasitöre geri götürür.

Bu kapalı yolun toplam döngü alanı endüktansı ile orantılıdır.

Daha az empedanslı yollar otomatik olarak daha fazla yükü taşıyacaktır. Düşük empedanslı en az bir yol sağladığınız sürece, masraflar otomatik olarak bundan faydalanacaktır.

Bu yol bir toprak düzlemi gibi bazı geniş iletkenleri içeriyorsa, o düzlem boyunca birçok olası yol vardır. Darbenin başlangıcında, yükler otomatik olarak o iletkenden geçen her hangi bir yoldan döngü alanını en aza indirecek ve endüktansı en aza indirecek şekilde otomatik olarak faydalanacaktır - bu iyi bir şeydir.

ADC kapasitörlerinin panonun diğer tarafında ADC'den olduğu bir PCB vardı. Bu kapasitörleri çıkardıktan ve panelin aynı tarafındaki ADC'nin güç pinlerine ilave kondansatörler ekledim. Benim anlayışım, iyileştirmenin tamamen endüktansı elimine etmekten kaynaklanıyor olmasıdır.

Yukarıdaki resimde MCU pimlerine kapanan iki vias, güç ve gnd katmanının ağına dahil edilmeyecektir.

4 vaka var gibi görünüyor.

1. Kondansatör, tahtanın aynı tarafındaki IC güç pimlerinin üzerine oturur. Döngü kapasitörden, bir güç piminde, diğer güç piminden kapasitöre geri döner. Çoğu çip için bu, endüktansı en aza indirerek en az ilmek alanını verir.
2. Kapasitör, levhanın diğer tarafında oturur ve bununla çip arasındaki 4 boşluk güç ve GND düzlemlerine bağlanır. Döngü, kondansatörden paralel olarak 2 viyana, bir güç pimine, diğer güç pimine, diğer 2 viyaya paralel olarak tekrar kondansatöre gider.
3. Kapasitör, levhanın diğer tarafında oturur ve bununla yonga arasındaki 2 boşluk güç ve GND düzlemlerine bağlanır. Döngü kondansatörden bir güç soketi üzerinden diğer güç pininden diğerine geçerek tekrar kondansatöre gider.
4. Kapasitör, levhanın diğer tarafında oturur ve bununla çip arasındaki 2 boşluk, güç ve GND düzlemlerinden dikkatlice izole edilmiştir. Diğer 2 vias, kapasitörü güç ve GND düzlemlerine bağlar. Güç kaynaklarını ya da GND uçaklarını bağlamak için viyalları izole etmek, sadece toplam net empedansı artırabilir, zeminin sıçramasını daha da kötüleştirebilir - bunu yapmak için hiçbir neden göremiyorum.

(2) ve (4) tamamen aynı yerlere yerleştirilmiş, tamamen aynı yerlerde düzenlenmiş viyalara sahiptir.

Bazı yüksek hızlı dijital cihazlar ve bazı yüksek hassasiyetli analog cihazlar kullanmanız gerekir (1) - diğer seçenekler hiç çalışmaz. Bu tür cihazlar genellikle veri sayfasında bu hususu açıkça belirtecektir.

Bazı cihazlar (2) veya (3) seçenekleriyle uygun şekilde çalışacaktır. Daha kötü zemin sıçramalarına ve daha kötü EMI / RFI / EMC'ye sahipler, ancak sonuç hala FCC limitlerinin çok altındaysa ve yeterince çalışıyorsa, rotalamayı daha basit hale getirmek için buna değer olabilir.

DÜZENLE:

Stevan Dobrasevic. " Şekil 2 MPC55x Çift Taraflı Komponent Yerleştirme Uygulaması" nda "Freescale Semiconductor AN2127 / D: EMC Kılavuzları" , durum 2'yi önerir: durum 2: işlemcinin ve işlemcinin yanında, işlemciden tahtanın karşı tarafındaki kapasitörler her biri birden fazla viyana sahip pozitif ve GND düzlemlerine doğrudan bağlı kapasitörler.

Dekuplaj, mühendislikte en az anlaşılan konulardan biridir.

"Bir PCB'deki gürültüyü önleme" , bir PCB üzerindeki gürültüyü önleme konusunda bazı ipuçlarına sahiptir. Özellikle, Henry W. Ott tarafından "karışık bir sinyal pcb'nin bölümlenmesi ve düzenlenmesi", tam olarak "gürültü akımlarının" nerede bulunduğunu gösterir, neden zeminlerin dikkatli bir şekilde izole edilmesinin bazen işleri biraz daha iyi hale getirdiğini ve asıl sorunun nasıl çözüldüğünü açıklar (ve tüm zeminler bir katı zemin düzlemi yapmak için bir araya gelir) Bir geçiş yolunu (veya GND düzleminin herhangi bir bölümünü) GND düzleminden dikkatlice izole etmek ters üretkendir.

(A) bu yol asgari endüktansın yoludur ve bunu GND'den dikkatlice izole edip etmemeniz önemli değildir - çoğu GND ile bir bağlantı olup olmadığına aynı yolu izler. Veya (b) daha küçük bir ilmek alanına sahip, dolayısıyla daha az endüktansa sahip başka bir yol var, bu durumda GND'den dikkatlice izole etmek, endüktansı daha kötü hale getirir (daha büyük) ve EMC / EMI / RFI'yi daha kötü hale getirir.

Dekuplaj kondansatörü yerleştirmek, birkaç şey

1. IC'nin güç pimi mümkün olduğunca fiziksel olarak yakın olmalıdır.
2. Dekapajı PWR ve GND viyalarına bağlayan izler kalın ve mümkün olduğunca kısa olmalıdır.
3. Sırada TOP veya BOTTOM'a mı yerleştirilmeli? Cevap, güç kaynağının kolayca IC'ye verebilmesi için hafifçe vurulabilmesi için güç düzlemine yakın bir yere yerleştirilmesi gerektiğidir. Örnek: TOP'dan Katman 2, TOP düzleminde güç düzlemi IC ise, Katman 3 TOP'dan güç düzlemi ise, IC'yi alt katmana yerleştirin. Bu nokta, ilmek alanı aynı kaldığından asimetrik PCB yığını için geçerlidir simetrik istifler için.
4. Dekapajlar aynı zamanda şarj depolamak için tank görevi gördüğünden, Tantalum SMD gibi daha az ESR (etkin seri direnç) değer kondansatörleri delikten daha iyi performans verir.