9. Развязка шин питания в цифровых печатных платах

Одной из важных составляющих при разработке конструкции цифровой ПП в части развязки шин питания является использование развязывающих конденсаторов, которые размещаются между проводником питания и заземления для обеспечения стабилизации напряжения подаваемого на активный цифровой элемент. В момент резкого изменения тока протекающего через данный элемент, развязывающий конденсатор обеспечивает локальный источник, способный быстро обеспечить требуемый ток без просадки напряжения на выводах питания. Неудовлетворительная развязка ПП приводит к чрезмерным помехам в шинах питания и является причиной возникновения проблем в части целостности сигнала и ЭМС.

9.1. Оценка индуктивности соединения развязывающего конденсатора

Под эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) конденсатора подразумевается индуктивность петли сформированной током, который входит в один вывод и выходит из другого. Для конденсаторов поверхностного монтажа (SMT) ESL более точно охарактеризовать как индуктивность соединения, поскольку ESL в большей степени зависит от формы соединения, чем от внутренней конструкции конденсатора. Индуктивность соединения один из важнейших факторов влияющих на способность развязывающего конденсатора обеспечивать ток на ВЧ. Для оценки индуктивности соединения должна быть определена эффективная полоса частот в которой осуществляется развязка. Для инженерной оценки индуктивности соединения развязывающих конденсаторов различных видов может быть использована следующая методика.

Шаг 1 – определение петли.

Необходимо определить развязывающую токовую петлю, зависящую от типа системы питания в которой используется развязывающий конденсатор:

а) с проводниками питания/заземления; б) со слоями питания/заземления.

А. Система питания в виде печатных проводников

В данном случае токовая петля будет состоять из двух печатных проводников, развязывающего конденсатора и цифрового элемента, как представлено на рис. 9.1.

109

Рис. 9.1. Токовая петля для системы питания в виде печатных проводников

Б. Система питания в виде слоев питания/заземления

В этом случае токовая петля начинается от развязывающего конденсатора, проходит через переходное отверстие на один слой питания, затем от него на второй слой питания и через переходное отверстие возвращается к конденсатору. Импеданс пути между слоями питания и

где L – индуктивность пути тока выше слоев питания, как представлено на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Токовая петля для системы питания в виде слоев питания/заземления

Шаг 2 – выбор типа эквивалентной формы

Для оценки индуктивности развязывающего конденсатора удобно использовать индуктивность эквивалентной формы. Подобное упрощение позволяет использовать для вычисления индуктивности выражения в закрытой форме.

А. Система питания в виде печатных проводников

В случае короткой прямоугольной развязывающей токовой петли (w<5h), представленной на рис. 9.3(а), для вычисления индуктивности используется следующее выражение в закрытой форме

110

где N – число витков; w – ширина прямоугольника; h – высота прямоугольника; a – эквивалентный радиус проводника; r - относительная магнитная

проницаемость среды (для диамагнетиков можно принять равной 1); 0 - магнитная постоянная ( 4 10 7 Гн/м).

А Б Рис. 9.3. Упрощенные эквивалентные формы токовых петель для системы

питания в виде печатных проводников

В случае длинной прямоугольной развязывающей токовой петли (w>5h), представленной на рис. 9.3(б), вначале находится удельная индуктивность двух проводников, которая затем умножается на длину петли w

где w – длина большей стороны петли; d – расстояние между центрами проводников; a – эквивалентный радиус проводника; r - относительная

магнитная проницаемость среды (для диамагнетиков можно принять равной 1);0 - магнитная постоянная ( 4 10 7 Гн/м).

Б. Система питания в виде слоев питания/заземления

В случае короткой прямоугольной развязывающей токовой петли (w<5h) расположенной над слоем, используется выражение в закрытой форме для короткой прямоугольной петли LКР.ПРЯМ с параметром h равным 2h1, а затем

полученное значение делится пополам, что схематично представлено на рис. 9.4(а).

В случае длинной прямоугольной развязывающей токовой петли (w>5h) расположенной над слоем, представленной на рис. 9.4(б), вначале находится

111

удельная индуктивность проводника над заземляющим слоем, которая затем умножается на длину петли w

где h – высота центра проводника над заземляющим слоем; a – радиус эквивалентного проводника; r - относительная магнитная проницаемость

среды (для диамагнетиков можно принять равной 1); 0 - магнитная постоянная

( 4 10 7 Гн/м).

А Б Рис. 9.4. Упрощенные эквивалентные формы токовых петель для системы

питания в виде слоев питания/заземления

Шаг 3 – определение параметров эквивалентной форме

А. Система питания в виде печатных проводников

В качестве значения ширины петли w берется расстояние, по которому ток протекает через конденсатор. На рис. 9.5 приведено несколько графических примеров.

Рис. 9.5. К определению значения ширины петли w

Б. Система питания в виде слоев питания/заземления

Высота петли h будет приблизительно равна половине высоты развязывающего конденсатора плюс расстояние между конденсатором и ближайшим слоем заземления (рис. 9.2).

В. Для всех видов системы питания

Радиус эквивалентного проводника a берется равным ¼ ширины корпуса конденсатора или печатного проводника (рис. 9.6). Как правило, на практике соединения состоят из переходных отверстий, печатных проводников,

112

контактных площадок и выводов конденсатора с разными эквивалентными радиусами, поэтому для учета наихудшего случая выбирается наименьшее значение.

Рис. 9.6. Переход от плоской структуры к эквивалентному представлению круглым проводником

Пример 1. Для ПП с системой питания в виде печатных проводников определить индуктивность соединения развязывающего конденсатора подключенного к ИМС в соответствии с рис. 9.7(а). Ширину печатных проводников принять равной 1 мм.

А Б Рис. 9.7. Пример расчета индуктивности соединения развязывающего

конденсатора

Вначале необходимо перейти от физического расположения элементов к соответствующей эквивалентной форме в виде прямоугольной петли. Длина и ширина прямоугольной петли находятся на основании пути тока, обозначенного на рис. 9.7(а) пунктирной линией. Длина эквивалентной прямоугольной петли составляет 8 мм плюс половина длины треугольного фрагмента токовой петли (22 мм / 2 = 11 мм). С учетом полученных значений w=8 мм и h=19 мм, можно сделать вывод, что данная эквивалентная прямоугольная петля является короткой и для расчета используется выражение (9.2). Эквивалентный радиус проводника равен ¼ ширины печатного

113

проводника (1 мм / 4 = 0,25 мм). Полученные эквивалентные структуры представлены на рис. 9.7(б). Подставляя найденный величины в выражение (9.2) получаем ответ LСОЕД 33 нГн.

Пример 2. Для ПП с системой питания в виде слоев питания/заземления определить индуктивность соединения развязывающего конденсатора подключенного к ИМС в соответствии с рис. 9.8. DIP корпус ИМС и конденсатор располагаются на высоте 3 мм от ближайшего питающего слоя. Ширину печатных проводников принять равной 1 мм, диаметр переходных отверстий принять равным 1 мм. Собственным импедансом слоев питания/заземления пренебречь.

Рис. 9.8. Пример расчета индуктивности соединения развязывающего конденсатора

Общая индуктивность подключения будет определяться суммой индуктивностей соединения развязывающего конденсатора и соединения DIP корпуса ИМС.

Для вычисления индуктивности соединения развязывающего конденсатора LCAP определяется ширина и высота эквивалентной петли, равные

w=10 мм и h1=3 мм соответственно. Данная эквивалентная прямоугольная петля является короткой и для расчета используется выражение (9.2), а с учетом наличия сплошного слоя необходимо принять h=2h1=6 мм. Радиус эквивалентного проводника выбирается как наименьший между радиусом переходного отверстия (1 мм /2 = 0,5 мм) или эквивалентным радиусом печатного проводника (1 мм /4 = 0,25 мм). Подставляя значения в выражение (9.2) и поделив полученный результат пополам LCAP 8,4 нГн

Для вычисления индуктивности соединения DIP корпуса ИМС LDIP

определяется ширина и высота эквивалентной петли, равные w=30 мм и h=3 мм соответственно. Данная эквивалентная прямоугольная петля является длинной и для расчета используется выражение (9.4). Радиус эквивалентного проводника выбирается как наименьший между радиусом переходного отверстия (1 мм /2 = 0,5 мм) или эквивалентным радиусом печатного

114

проводника (1 мм /4 = 0,25 мм). Подставляя значения в выражение (9.4) получаем LDIP 19 нГн.

Общая индуктивность соединения составит LСОЕД LCAP LDIP 27,4 нГн

Одним из важных моментов при уменьшении паразитной индуктивности соединения развязывающего конденсатора является способ его установки. На рис. 9.9 представлено несколько вариантов исполнения монтажных площадок для установки развязывающего конденсатора на ПП с системой питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления.

Рис. 9.9. Варианты монтажа развязывающего конденсатора на ПП с системой питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления

9.2. Практические способы развязки системы питания в виде печатных проводников

При трассировке ОПП, ДПП или МПП с системой питания в виде печатных проводников применяются следующие рекомендации:

-необходимо обеспечить как минимум по одному «локальному» развязывающему конденсатору для каждого цифрового элемента и, по крайней мере, один общий накопительный конденсатор с большой емкостью для каждого отдельного напряжения присутствующего на ПП;

-развязывающие конденсаторы должны быть подключены между выводами питания и землей цифрового элемента, при этом площадь петли образуемая соединением конденсатор-элемент должна быть минимальной;

-обычно используются развязывающие конденсаторы с номиналами 1, 10 или 47 нФ. Для некоторых цифровых элементов может потребоваться

115

параллельное подключение нескольких развязывающих конденсаторов;

-накопительные конденсаторы располагаются вблизи места подачи напряжения на ПП или места преобразования одного напряжения в другое;

-накопительные конденсаторы должны иметь емкость достаточную для обеспечения переходных процессов на всей плате и обычно выбирается равной сумме номиналов развязывающих конденсаторов подсоединенных к данной шине умноженную на коэффициент от 1 до 10;

-как правило, использование двух развязывающих конденсаторов с одинаковым номиналом лучше, чем один с удвоенным номинальным значением, поскольку в таком случае обеспечивается меньшая индуктивность соединения [12] и обеспечивается лучшая ВЧ фильтрация для остальной части шины питания [13].

На рис. 9.10 показано несколько примеров возможной становки развязывающего конденсатора на ПП с системой питания в виде печатных проводников.

А Б В Г Рис. 9.10. - Возможные варианты установки развязывающего конденсатора на

ППс системой питания в виде печатных проводников

9.3.Практические способы развязки системы питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления

Особенностью подобного исполнения системы питания является то, что развязывающие конденсаторы в данном случае можно охарактеризовать как «глобальные», поскольку они реагируют на изменение напряжения в питающих слоях вследствие работы всех цифровых элементов, вне зависимости от близости расположения к какому-либо из них. При этом паразитная индуктивность подключения к слоям питания/заземления гораздо важнее, чем номинальная емкость развязывающих конденсаторов. Применение

116

накопительных конденсаторов с большой емкостью минимизирует импеданс шины питания на НЧ (ниже нескольких сотен кГц), а развязывающих конденсаторов с небольшой емкостью на ВЧ (до 100 МГц). На более высоких частотах импеданс шины питания определяется собственными характеристиками слоев.

При трассировке МПП с системой питания в виде слоев питания/заземления расположенных на расстоянии 0,5 мм и ближе применяются следующие рекомендации:

-в качестве накопительные конденсаторов можно использовать один-два электролитических конденсатора или от шести и более конденсаторов с меньшими корпусами. Эффективность будет примерно одинаковая и выбор осуществляется на основании ограничений по размерам, стоимости и площади ПП;

-накопительные конденсаторы должны иметь емкость достаточную для обеспечения переходных процессов на всей плате и обычно выбирается равной сумме номиналов развязывающих конденсаторов подсоединенных к данной шине умноженную на коэффициент от 1 до 10;

-развязывающие конденсаторы должны выбираться с наименьшим возможным размером корпуса, а расстояние до переходных отверстий должно быть как можно короче, что позволяет получить соединение с наименьшей индуктивностью;

-величина емкости развязывающего конденсатора должна быть максимально доступной в данном типоразмере корпуса конденсатора, при этом не меньшую чем собственная емкость параллельных слоев питания/заземления. Ориентировочно ПП сделанная из FR-4 содержащая пару слоев

питания/заземления расположенных на расстоянии 0,25 мм имеет межслойную емкость около 16 пФ/см2;

-расположение развязывающих конденсаторов не критично, так как их производительность в основном определяется индуктивностью подключения к слоям. На эффективных частотах они могут быть расположены в любом месте вблизи цифрового элемента [14];

-для каждого цифрового элемента должно быть применено как можно больше развязывающих конденсаторов, поскольку максимальная частота на которой они продолжают быть эффективными пропорциональна квадратному корню от их количества [15];

Как было указано ранее, индуктивность соединения определяется площадью петли сформированной корпусом конденсатора, монтажными площадками, печатными проводниками и переходными отверстиями. В связи с этим для минимизации индуктивности соединения необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

117

-не использовать печатные проводники и располагать переходные отверстия по соседству с монтажными площадками рядом друг с другом;

-если для расположения переходного отверстия рядом с монтажной площадкой не хватает места необходимо переместить весь конденсатор, поскольку, как было упомянуто, местоположение конденсатора в данном случае не так важно, как индуктивность его соединения;

-при малых диаметрах переходных отверстий следует увеличивать их количество, так например, четыре переходных отверстия вместо двух могут уменьшить индуктивность соединения примерно вдвое;

-для размещения развязывающих конденсаторов необходимо выбирать сторону ПП ближайшую к слоям питания/заземления, поскольку индуктивность соединения почти пропорциональна расстоянию до слоев;

-не допускать совместного использования переходного отверстия развязывающим конденсатором и цифровым элементом.

9.4. Практические способы развязки системы питания в виде разнесенных слоев питания/заземления

При трассировке МПП со слоями расположенными на расстоянии более 0,5 мм образуемая система питания характеризуется разнесенными слоями питания/заземления. В этом случае нельзя пренебрегать индуктивностью петли образуемой между слоями, которая к тому же может быть использована для улучшения развязки системы питания. При правильном монтаже развязывающих конденсаторов они могут эффективно ослаблять помехи в шине питания на частотах до нескольких ГГц. Используя взаимную индуктивность близко расположенных переходных отверстий можно обеспечить протекание тока вначале от ближайшего развязывающего конденсатора, а затем от слоев питания/заземления [15-17]. При этом важно минимизировать индуктивность соединения развязывающих конденсаторов и расположить их как можно ближе к соответствующему цифровому элементу. В отличие от ранее рассмотренной системы питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления, развязывающие конденсаторы можно рассматривать как «локальные», т.е. работающие в первую очередь с рядом расположенным цифровым элементом. Обычно применяются развязывающие конденсаторы емкостью 0,01 мкФ.

Развязывающий конденсатор должен быть установлен как можно ближе к выводу питания или заземления обслуживаемого активного компонента. Для определения, к какому выводу активного компонента (Vcc, Vss, Vdd или GND) должен быть ближе расположен развязывающий конденсатор, необходимо

118

выяснить какой из слоев питания/заземления находится дальше от активного компонента. Локальная развязка должна быть обеспечена вблизи вывода соединенного с самым удаленным слоем (рис. 9.11(а)).

А Б Рис. 9.11. Правильная установка развязывающего конденсатора на ПП с

системой питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления

При размещении развязывающего конденсатора и активного компонента на противоположных сторонах ПП, вывод конденсатора подключенного к наиболее удаленному слою должен располагаться около вывода активного компонента также подключенного к наиболее удаленному слою (рис. 9.11(б)). Развязывающий конденсатор никогда не должен использовать общее с активным компонентом переходное отверстие, при их расположении на противоположных сторонах ПП.

Необходимо исключить использование печатных проводников между монтажными площадками развязывающего конденсатора и переходного отверстия. Для минимизации паразитной индуктивности переходные отверстия должны располагаться или непосредственно на монтажной площадке или соприкасаться с ней. При этом желательно размещать переходные отверстия как можно ближе друг к другу. Также с учетом того, что индуктивность соединения почти пропорциональна расстоянию до ближайшего слоя, необходимо устанавливать все развязывающие конденсаторы со стороны платы ближайшей к слою питания/заземления.

9.5. Контрольные вопросы к разделу

1.Почему в качестве развязывающих конденсаторов необходимо применять элементы с минимальным значением эквивалентной последовательной индуктивности?

2.Из чего складывается общая индуктивность соединения между

119

ИМС и развязывающим конденсатором при исполнении системы питания в виде печатных проводников и в виде слоев питания/заземления?

3.К каким основным упрощенным эквивалентным формам преобразуются развязывающие токовые петли в случае системы питания в виде печатных проводников и в виде слоев питания/заземления?

4.Какими основными параметрами характеризуется эквивалентные формы развязывающих токовых петель?

5.Какие их вариантов исполнения монтажных площадок для установки развязывающих конденсаторов обладают минимальной и максимальной паразитной индуктивностью?

6.Назовите основные рекомендации, которые следует учитывать при трассировке ОПП, ДПП или МПП с системой питания в виде печатных проводников.

7.Перечислите основные рекомендации, которые следует учитывать при трассировке МПП с системой питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления.

8.Перечислите основные рекомендации, которые следует учитывать при трассировке МПП с системой питания в виде разнесенных слоев питания/заземления.

120