Как оптимизировать соединение развязки. Советы и рекомендации по компоновке печатных плат
В данной статье рассматривается несколько сложный вопрос о том, как именно подключить блокировочный конденсатор к выводу питания.
Связанная информация
- Чистое питание для каждой микросхемы, часть 1: Понятие конденсаторов развязки
- Чистое питание для каждой микросхемы, часть 2: Выбор и использование блокировочных конденсаторов
Некоторые аспекты компоновки печатных плат не сильно меняются при переходе от низкочастотных проектов к высокочастотным. Выигрышное размещение компонентов, методы отвода тепла от мощных компонентов, соответствие ширины трассы требованиям пропускания тока, точная настройка трафарета для правильной пайки оплавлением – эти составляющие процесса компоновки более или менее одинаковы, независимо от того, находятся ли сигналы на платы в диапазоне 1–5 МГц или в диапазоне 20–50 МГц.
Высокочастотная развязка
Одна вещь, которая действительно требует особого внимания, это развязка. Фундаментальные концепции не меняются при переходе от низких частот к высоким, но реализация может потребовать некоторых улучшений, просто потому, что низкочастотные схемы часто будут полностью работоспособными, когда развязка будет неоптимальной или, мягко говоря, довольно среднего качества. Другими словами, низкочастотные схемы довольно снисходительны, когда речь идет о методах развязки, и, следовательно, у нас могли выработаться привычки конструирования, которые в действительности не подходят для высокочастотных систем.
Проблема заключается в следующем: в контексте цифровых цепей блокировочные конденсаторы накапливают заряд и отдают этот заряд микросхеме, чтобы компенсировать переходные помехи, создаваемые действием переключения полупроводниковых компонентов. На низких рабочих частотах конденсатор имеет достаточно времени для разрядки, а затем перезарядки, прежде чем микросхеме потребуется еще один всплеск тока. Однако по мере увеличения частоты разработчик платы должен пытаться уменьшить паразитные сопротивление и индуктивность, которые препятствуют способности конденсатора обеспечивать необходимый заряд.
Типовая рекомендация по развязке выглядит примерно так: «используйте керамический конденсатор 0,1 мкФ, расположенный как можно ближе к выводу питания». Например:
Этот совет является хорошей отправной точкой и подходит для низкочастотного проектирования, хотя он становится крайне упрощенным, когда вы начинаете узнавать о сложностях, связанных с высокочастотной блокировкой. В этой статье мы рассмотрим одну конкретную проблему, относящуюся к высокочастотным методам развязки, и продолжим обсуждение в следующей статье.
Дорожка или переходное отверстие?
Мы знаем, что мы должны располагать блокировочные конденсаторы рядом с их соответствующими выводами, но после того, как вы установите их аккуратно и близко, как вы на самом деле осуществите соединение?
Давайте предположим, что выводы питания и земли достаточно далеко друг от друга, поэтому вы не можете соединить оба вывода дорожкой. Вы устанавливаете конденсатор таким образом, чтобы один его вывод находился рядом с выводом VDD микросхемы, а затем вы подключаете другой вывод к земле, используя переходное отверстие. Как вы должны выполнить соединение к выводу VDD, используя дорожку или отверстие? Ну, на этот вопрос легко ответить, если у вас нет слоя питания – дорожка (или полигон меди) – ваш единственный вариант. Но, честно говоря, если частоты на плате достаточно высоки, чтобы вы беспокоились об оптимизации размещения ваших блокировочных конденсаторов, у вас на самом деле должен быть выделен слой для полигона питания.
Что касается плат, в которых используется слой питания, то мнение доктора Говарда Джонсона, известного эксперта в области высокоскоростного цифрового проектирования, заключается в том, что соединения через переходные отверстия гораздо лучше. Следующий пример является улучшением предыдущей диаграммы, но, как вы увидите в следующей статье, конфигурация с переходными отверстиями неоптимальна.
Вы можете прочитать его подробное объяснение; мне понравилось следующее утверждение: в контексте высокоскоростного цифрового проектирования размещение любой дорожки нетривиальной длины последовательно с выводом питания «радикально увеличивает шум источника питания», и этого «следует избегать, как чумы». Я нахожу это интересным, потому что это несколько нелогично – разводка дорожки кажется более «прямой», чем соединение выводов через переходные отверстия.
В поисках более низкой индуктивности
Эта проблема довольно специфична, когда вы углубляетесь в детали, но значительная часть обсуждения сводится к индуктивности, которая является источником проблем для разработчиков высокочастотных цифровых систем. При использовании переходного отверстия как для конденсатора, так и для вывода питания микросхемы, проводник, соединяющий эти два контакта, будет являться слоем питания, который, конечно, имеет гораздо меньшую индуктивность, чем обычная дорожка.
Возможно, вы задаетесь вопросом: «А как насчет индуктивности переходных отверстий?». Действительно ли короткая трасса имеет значительно большую индуктивность, чем два переходных отверстия?
Это примечание к применению (стр. 4) от TI дает следующую формулу для расчета индуктивности переходного отверстия:
\[L(нГн) = \frac{h}{5} \left( 1 + \ln\left(\frac{4h}{d} \right) \right)\]
где
- h – высота в мм;
- d – диаметр в мм.
Допустим, мы используем сверло 10 мил (= 0,254 мм) для переходных отверстий, и у нас стандартная толщина печатной платы 63 мил (= 1,6 мм). Это соответствует индуктивности переходного отверстия 1,3 нГн. Таким образом, два переходных отверстия дадут нам менее 3 нГн, по сравнению с примерно 3,5 нГн для полудюймовой (= 12,7 мм) дорожки печатной платы. Снижение на 0,5 нГн не слишком впечатляет, но это очень сдержанная оценка, потому что ток исходит от слоя питания, а не от нижней стороны платы. Другими словами, он не должен проходить через всю индуктивность переходного отверстия.
Предположим, что слой питания находится на слое, смежном с микросхемой, и толщина стеклотекстолита составляет около 10 мил (= 0,254 мм).
Теперь вычисленная индуктивность составляет всего 0,12 нГн, и мы видим, что пара переходных отверстий может обеспечить эффективность, намного превосходящую характеристики дорожки на печатной плате.
Заключение
Мы обсудили важный метод создания эффективного соединения между блокировочным конденсатором и высокоскоростной цифровой интегральной микросхемой, которые находятся на одном слое печатной платы. В следующей статье мы обсудим дополнительные подробности развязки.