Минимизация индуктивности развязки. Советы и рекомендации по компоновке печатных плат

Добавлено 6 октября 2019 в 10:27

В данной статье рассматриваются некоторые подробности, связанные с высокочастотными характеристиками блокировочных конденсаторов (конденсаторов развязки).

Связанная информация

В предыдущей статье мы рассматривали вопрос о том, следует ли подключать развязывающий конденсатор к выводу питания микросхемы через дорожку или через пару переходных отверстий. Мы увидели, что метод пары переходных отверстий лучше, потому что он уменьшает индуктивность, а индуктивность является основным препятствием, которое мы должны преодолеть, когда мы пытаемся обеспечить, чтобы блокировочные конденсаторы были эффективны на частотах 50–100 МГц и далее до сотен мегагерц.

Переходные отверстия и полигоны

В данной статье мы собираемся исследовать проблему индуктивности конденсатора развязки относительно того, как она связана с конфигурациями с переходными отверстиями и полигонами. Прежде чем мы перейдем к этому обсуждению, нам необходимо прояснить следующий момент: по мере того, как мы углубляемся в сферу высокочастотной развязки, мы все больше и больше фокусируемся на соединениях с полигонами, пока, в конце концов, не покажется, что дорожки в значительной степени игнорируются. Следующие соображения помогут придать контекст этому явлению:

Высокая индуктивность

Как мы видели в предыдущей статье, дорожки просто имеют слишком большую индуктивность по сравнению с соединениями, которые используют переходные отверстия в сочетании со слоями полигонов.

Емкость полигона

То, как развязывающая емкость взаимодействует с полигонами, кажется, становится доминирующим фактором при увеличении рабочей частоты. Наука здесь становится всё сложнее, и у меня ограниченные способности к пониманию подробностей и еще меньшие способности их объяснять. Одно интересное и простое утверждение, которое я нашел в этой статье, указывает на то, что в некоторых случаях сам блокировочный конденсатор настолько ограничен индуктивностью, что он не может действительно обеспечивать ток для микросхемы. Скорее, емкость полигонов обеспечивает переходный ток развязки, и работа конденсатора заключается в перезарядке полигонов.

Переполненные слои

Высокоскоростные цифровые системы часто включают в себя сложные, ограниченные в пространстве компоновки, которые отдают большую часть пространства печатных плат компонентам. Здесь мало места для дорожек, и поэтому разработчики печатных плат с радостью используют переходные отверстия, когда это возможно.

Распределенная емкость против дискретной емкости

Если в некоторых высокоскоростных цифровых устройствах емкость полигона является истинным источником заряда развязки, действительно ли конденсатор должен быть «как можно ближе к выводу»? Его расположение имеет значение? Может показаться шокирующим подвергнуть сомнению обоснованность одного из основных принципов правильной развязки, но это именно то, что Хубинг и другие сделали в этой исследовательской работе. По словам авторов другой статьи, Хубинг и другие утверждали, что при определенных условиях местоположение конденсатора является «неважным», хотя они, возможно, расширили свои выводы «за пределы области действия исследования». В любом случае, это еще один пример важности взаимодействия между конденсатором и слоями полигонов, которые действуют как «распределенная емкость», присутствующая повсюду на плате.

Минимизация индуктивности

Общая индуктивность конденсатора развязки зависит от площади токовой петли, образованной конденсатором, переходными отверстиями и полигонами.

Рисунок 1 Токовая петля
Рисунок 1 – Токовая петля

Как видите, на площадь петли влияют и расстояние между двумя переходными отверстиями, и расстояние между конденсатором и слоями полигонов. Таким образом, расстояние до полигона и расстояние между переходными отверстиями являются критическими факторами, которые необходимо учитывать, если целью является улучшение характеристик развязки.

Расстояние до полигона

Если вы проектируете типовую четырехслойную доску, вы не можете ничего сделать, чтобы уменьшить расстояние до полигонов – блокировочный конденсатор всегда будет расположен близко к одному слою полигона и далеко от другого.

Рисунок 2 Расстояние от блокировочного конденсатора до слоев полигонов
Рисунок 2 – Расстояние от блокировочного конденсатора до слоев полигонов

Если на плате более четырех слоев, у вас появляется некоторая гибкость в оптимизации расположения конденсаторов развязки относительно полигонов земли и питания. Кроме того, сейчас самое время указать, что вы потеряете много распределенной емкости, если не разместите полигоны питания и земли на соседних слоях. Мне кажется, что высокоскоростной цифровой проект значительно выиграет от следующей конфигурации:

  1. Поместите как можно больше высокоскоростных интегральных микросхем на один из двух слоев для компонентов (допустим, он самый верхний).
  2. Расположите полигоны питания и земли так, чтобы они были смежными и ближе к верхнему слою.
  3. Поместите все блокировочные конденсаторы на верхний слой, чтобы у них были короткие соединения с полигонами.

Расстояние между переходными отверстиями

Первый способ уменьшить расстояние между переходными отверстиями – использовать меньшие по размеру конденсаторы развязки. На своих платах я использую корпуса 0603, потому что я часто собираю их вручную; если плата будет собираться машинами, то лучше выбрать 0402.

Минимизация индуктивности теперь зависит от выбора оптимальной конфигурации расположения переходных отверстий:

Рисунок 3 Варианты расположения переходных отверстий
Рисунок 3 – Варианты расположения переходных отверстий. Адаптировано из схемы на странице 29 этого документа.

Обратите внимание, что нас больше всего беспокоит расстояние между двумя переходными отверстиями. Таким образом, третий вариант помечен как «хороший», а второй – как «удовлетворительный», несмотря на то, что «удовлетворительная» конфигурация использует более короткие дорожки для подключения клемм конденсатора к переходным отверстиям.

Заключение

Надеюсь, что эта статья дала вам некоторое представление о сложном мире проектирования высокоскоростных цифровых печатных плат. Думаю, что совершенно очевидно, что минимизация площади петли является ключевым моментом к уменьшению индуктивности и, следовательно, улучшению высокочастотных характеристик, но я не уверен, что случайно распределять конденсаторы развязки по всей плате является хорошей идеей. Если у вас есть какие-либо мысли на эту тему, не стесняйтесь поделиться ими в комментариях.

Теги

PCBБлокировочный конденсаторПаразитная индуктивностьПечатная платаПроектирование высокоскоростных устройствПроектирование печатных платРазвязкаЦелостность сигналов и питания

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.