Чистая мощность для каждой ИС, часть 2: выбор и использование ваших байпасных конденсаторов
Правильный выбор компонентов и тщательная компоновка печатной платы являются неотъемлемой частью обхода питания.
Статьи, которые предоставляют вспомогательную информацию
- Конденсаторы переменного тока
- Конденсаторные причуды
Предыдущая статья в этой серии
Чистая мощность для каждой ИС, часть 1: Общие сведения об обходных конденсаторах
Емкость: сколько достаточно «керамический конденсатор 0, 1 мкФ на каждом силовом штыре» - для широкого спектра аналоговых и цифровых микросхем. Почему емкость относительно незначительной важности? Напомним, что емкость - это просто отношение заряда, хранящегося на пластинах конденсатора, к напряжению на конденсаторе:
Таким образом, емкость говорит вам, сколько заряда конденсатор может хранить на вольт на конденсаторе. Если полностью заряженный конденсатор 10 мкФ и 0, 1 мкФ находится параллельно между землей и силовой шиной 5 В, более большой конденсатор имеет 50 × 10 -6 кулонов заряда (10 × 10 -6 кулонов на 1 вольт), а меньший - 0, 5 × 10 -6 кулонов (0, 1 × 10 -6 кулонов на вольт).
Насколько это связано с подачей питания в обход приложения? Давайте посмотрим: ток (в амперах) определяется как количество заряда (в кулонах), проходящее через проводник в единицу времени (в секундах). Другой способ выразить это - с производным:
Ток, следовательно, является скоростью изменения заряда по времени. Это означает, что если мы интегрируем ток по времени, мы имеем полный заряд:
Теперь давайте вернемся к симулированным нарушениям питания, о которых говорилось в предыдущей статье. В цепи генерируется следующее токовое возмущение с 8 инверторами и 1 nH паразитной индуктивности последовательно с сопротивлением источника питания:
LTSpice не дает нам реальной интеграции, но мы можем вычислить его, умножив средний ток (26, 3 мкА) на интервал (114 мкс - 98 мкс = 16 мкс). Таким образом, общий заряд, необходимый для компенсации этого возмущения, составляет 26, 3 мкА × 16 мкс = 4, 2 × 10 -10 кулонов. Это примерно в 1000 раз меньше заряда, чем мы хранили в нашем 0.1 мкФ конденсаторе.
Эта симуляция очень упрощена - количество требуемого заряда будет зависеть от числа инверторов в ИС, электрических характеристик транзисторов и т. Д. Тем не менее, мы все же можем заключить на основе этих расчетов, что один конденсатор емкостью 0, 1 мкФ может хранить намного больше заряда, чем требуется для компенсации высокочастотных импульсов тока, генерируемых цифровым переключением. И это, в свою очередь, демонстрирует, почему точная емкость байпасного конденсатора не особенно важна: до тех пор, пока конденсатор может хранить достаточный заряд, значение емкости приемлемо. Оказывается, что 0, 1 мкФ является удобным значением, но 1 мкФ или даже 0, 01 мкФ может быть одинаково подходящим по емкости.
Итак, теперь у нас есть еще один вопрос: ясно, что конденсатор на 10 мкФ обеспечит более чем достаточное зарядное пространство для обхода требований, так зачем беспокоиться о шапке 0, 1 мкФ? Это возвращает нас к обсуждению ESR и ESL.
Секретная жизнь конденсатора
Как показывает следующая эквивалентная схема, внутри конденсатора происходит гораздо больше, чем простая емкость:
Для этого обсуждения нам не нужно беспокоиться о R par (который учитывает ток утечки через диэлектрик) или R DA и C DA (которые вместе учитывают диэлектрическое поглощение). Таким образом, мы имеем эту упрощенную эквивалентную схему:
Проблема здесь должна быть очевидной. Наш байпасный конденсатор предназначен для быстрого питания тока во время переходных помех на линии электропередачи, но теперь у нас есть две составляющие, которые препятствуют потоку тока: резистор, который представляет собой фиксированный импеданс независимо от частоты, и индуктор, который представляет более высокий импеданс по мере увеличения частоты. На этом этапе важно понять, что ESR и ESL определяются главным образом «типом» конденсатора (керамика, тантал, полимер и т. Д.) И упаковка. Керамические колпачки являются наиболее популярными для обхода, поскольку они демонстрируют низкие ESR и ESL (они также недороги). В очереди - танталы; они предлагают умеренный ESR и ESL вместе с большим отношением емкости к объему, и поэтому они используются для более высоких байпасных конденсаторов, предназначенных для компенсации низкочастотных колебаний в линии электропередачи. Как для керамических, так и для танталовых колпачков, более крупные упаковки обычно соответствуют более высоким ESL. В следующей таблице, взятой из технического отчета, опубликованного компанией AVX Corporation, перечислены значения ESL для разных пакетов поверхностного монтажа:
| Размер корпуса | Индуктивность (pH) |
|---|---|
| 0603 (керамика) | 850 |
| 0805 (керамика) | 1050 |
| 1206 (керамический) | 1250 |
| 1210 (керамический) | 1020 |
| 0805 (тантал) | 1600 |
| 1206 (тантал) | 2200 |
| 1210 (тантал) | 2250 |
| 2312 (тантал) | 2800 |
Включение соображений ЭПР в процесс проектирования довольно просто: конденсаторы малого значения, предназначенные для работы с высокочастотным шумом линии электропередачи, должны иметь низкий уровень ЭПР. Однако фактор ESL несколько сложнее. На следующем графике показан импеданс керамического конденсатора 0, 1 мкФ, 0603 с 850 pH ESL и 50 мОм ESR:
Как обсуждалось в предыдущей статье, байпасный конденсатор должен обеспечивать канал с низким полным сопротивлением, который позволяет высокочастотному шуму «проходить по» IC на своем пути к наземному узлу схемы. Идеальный конденсатор выполнил бы это легко, так как импеданс конденсатора уменьшается с увеличением частоты. Но приведенный выше сюжет говорит по-другому: на определенной частоте ESL начинает доминировать над емкостью, так что импеданс начинает набирать частоту. Теперь давайте представим, что вместо керамической крышки выше мы решили использовать 1 мкФ танталовый конденсатор с 2200 pH ESL и 1, 5 Ом ESR:
Импеданс тантала начинает меньше, чем у керамики, из-за его более высокой емкости, но эффект более высоких ЭПР и ESL приводит к тому, что импеданс достигает уровня 100 кГц, так что импеданс керамики фактически в 10 раз ниже чем тантал на 10 МГц. Таким образом, если схема восприимчива к шуму на частотах около 10 МГц, керамический конденсатор будет гораздо более эффективен, чем конденсатор тантала, хотя тантал имеет более высокую емкость. Кроме того, если мы имеем дело с очень высокими шумовыми частотами, даже эта керамическая крышка может иметь слишком большой импеданс. В таком случае нам понадобится более низкий ESL, что означает меньший пакет. Этот график сравнивает исходный колпачок 0603 с керамикой 0, 01 мкФ с только 500 pH ESL (значение, которое может быть достигнуто с пакетом 0402):
На первый взгляд кажется, что мы не можем выиграть: колпачок 0402 улучшает высокочастотную производительность, но импеданс хуже, чем у 0603 с низкой частоты вплоть до 50 МГц. Мы можем выиграть, хотя: мы можем поставить все три из этих конденсаторов параллельно, и на любой конкретной частоте общий импеданс будет определяться самым низким импедансом среди трех.
Итак, теперь у нас есть обходная сеть, которая поддерживает относительно низкий импеданс в очень широком диапазоне частот. Единственным сюрпризом здесь является пик на частоте 50 МГц, где общий импеданс выше, чем отдельные импедансы. Это называется антирезонансным пиком, и вам нужно следить за ними везде, где уменьшающееся (т.е. емкостно-доминирующее) сопротивление пересекается с увеличением (т. Е. Индуктивно-доминирующим) импедансом.
Не разрушайте хороший дизайн с плохим макетом
Правильная компоновка печатной платы является критическим аспектом дизайна обхода, например, инженеры Texas Instruments обнаружили, что увеличение расстояния между шапкой 0, 1 мкФ и силовым штырем IC от 0, 3 дюйма до 1 дюйма увеличивает амплитуду сигнала линии электропередачи от 250 мВ до 600 мВ. К счастью, правила для прокладки байпасных конденсаторов просты: минимизируйте сопротивление, минимизируйте индуктивность. Это достигается путем размещения конденсатора как можно ближе к силовому штырьку и использования кратчайших возможных трасс для всех соединений. В идеале, как земля, так и силовая направляющая могут быть доступны через сквозные отверстия в плоскостях:
Обзор обводной крышки
Теперь у нас достаточно информации, чтобы сформулировать краткий набор рекомендаций для успешного обхода:
- В случае сомнений дайте каждому силовому штифту керамическую крышку размером 0, 1 мкФ, предпочтительно размер 0805 или меньше, параллельно танталу или керамике 10 мкФ.
- Возможно, вы можете опустить колпачок 10 мкФ или заменить его чем-то меньшим, если речь идет только о высокочастотном шуме.
- Если вам необходимо компенсировать долгосрочные отклонения в поставках, которые потребуют больших объемов хранимого заряда, вам может потребоваться предоставить каждой ИС дополнительный более крупный конденсатор, скажем, 47 мкФ.
- Если ваш дизайн включает очень высокие частоты или особенно чувствительную схему, используйте симулятор для анализа AC-ответа вашей обходной сети. (Возможно, сложно найти твердые спецификации для ESR и ESL, особенно учитывая, что конденсатор ESR может значительно варьироваться с частотой - просто сделайте все возможное.) При необходимости включите керамические колпачки с более низким ESL для улучшения характеристик высокочастотного импеданса,
- Расположите высокочастотные керамические колпачки как можно ближе к силовому штырю и используйте короткие следы и сквозные отверстия для минимизации паразитной индуктивности и сопротивления. Расположение более крупных конденсаторов, предназначенных для низкочастотного обхода, не столь критично, но они также должны быть близки к IC - в пределах полудюйма или около того.
Следующая статья в серии: чистая мощность для каждой ИС, часть 3: понимание ферритовых бусин