Dominando a Energia de PCB de Alta Velocidade: Analisar e Eliminar Impedância para Desempenho Confiável

Com a escalada da complexidade do design de PCB, uma fonte de alimentação estável e confiável tornou-se uma nova tendência de pesquisa no design de PCB de alta velocidade. Especialmente quando o número de componentes de comutação continua melhorando constantemente e o Vcore diminui constantemente, a flutuação de energia tende a trazer influência mortal ao sistema. Portanto, tornou-se um ponto-chave no design de PCB de alta velocidade manter a estabilidade do sistema de energia.

No entanto, como resultado da existência de impedância do sistema de energia, uma queda de tensão relativamente grande é gerada pela corrente transitória de carga na impedância do sistema de energia, o que leva à instabilidade do sistema. Para garantir que a energia normal seja fornecida a cada componente do início ao fim, a impedância no sistema de energia deve ser controlada, o que significa que a impedância deve ser diminuída o máximo possível.

A aplicação de capacitor de desacoplamento é uma forma eficaz de proibir a impedância no sistema de energia. Este artigo analisa as razões para a proibição de impedância no sistema de energia por capacitor de desacoplamento e lista métodos em termos de seleção de capacitor de desacoplamento. Além disso, pesquisa principalmente como determinar a posição do capacitor de desacoplamento com base em análise harmônica para maximizar a proibição de impedância no sistema de energia.

Análise de Impedância

Energia e terra podem ser consideradas como um grande capacitor de placas cuja capacitância é calculada com base na fórmula C = kAr/d.

Nesta fórmula, k é 0,2249 polegada; A refere-se à área paralela entre dois planos; r refere-se à constante dielétrica do meio e é 4,5 para material de placa FR4 comumente usado; d refere-se à distância entre energia e terra. Um PCB com tamanho de 2×1 polegada é escolhido como exemplo. A capacitância do capacitor formado por energia e terra com uma área paralela de 20 Mils é aproximadamente 0,2249×4,5×2×1/0,02 = 101,2 pF. Com base nesta fórmula, pode ser indicado que a capacitância de desacoplamento no sistema de energia é tão pequena que a impedância correspondente será muito grande, geralmente alguns ohms. Portanto, está longe de ser suficiente diminuir a impedância através do auto-desacoplamento no sistema de energia.

Uma ferramenta de simulação SIWAVE em nível 2,5D é aplicada para implementar simulação de impedância em dispositivo ativo. A rede de energia e terra U41 é escolhida para calcular parâmetros XYZ com uma faixa de varredura de 0 a 1 GHz, através da qual uma curva de impedância é obtida na Figura 1 abaixo.

No diagrama, pode-se ver que a curva de impedância muda com a mudança de frequência e a impedância muda muito nos pontos de inflexão nos valores de 670 MHz, 730 MHz e 870 MHz.

Métodos de Proibição

• Análise teórica sobre proibição de impedância por capacitor de desacoplamento

Como é impossível diminuir a impedância através do desacoplamento da própria energia, o capacitor de desacoplamento deve ser aplicado para proibir a impedância.

A Figura 2 é um diagrama de sistema de energia composto. A Figura 3 indica este sistema de energia em um modelo de energia equivalente.

Uma fórmula pode ser aplicada para representar este circuito: V = Z × L. Uma circunstância deve ser alcançada de que, mesmo se a corrente transitória de carga mantiver uma grande mudança entre o ponto A e o ponto B, a mudança de tensão tem que ser muito pequena entre os dois pontos. Baseado na fórmula, este objetivo nunca pode ser obtido a menos que o valor da impedância (Z) seja suficientemente pequeno. Na Figura 3, a aplicação do capacitor de desacoplamento é útil para a implementação deste objetivo, então pode ser indicado que o capacitor de desacoplamento é capaz de diminuir a impedância no sistema de energia da perspectiva de equivalência. Além disso, da perspectiva de princípios de circuito, a mesma conclusão pode ser mantida. O capacitor apresenta baixa impedância em sinais de corrente alternada. Como resultado, a participação do capacitor é realmente certa para diminuir a impedância de corrente alternada no sistema de energia.

• Seleção da capacitância do capacitor de desacoplamento

Nunca existe um capacitor ideal, ele sempre mantém parâmetros parasitas. A maior influência no desempenho de alta frequência do capacitor deriva de ESR (Resistência Série Equivalente) e ESL (Indutância Série Equivalente). A Figura 4 mostra o modelo equivalente com consideração de parâmetros parasitas.

O capacitor também pode ser considerado como um circuito harmônico em série com a frequência harmônica em série seguindo a fórmula: f = 1/(2π√(LC)). Quando permanece em circunstância de baixa frequência, exibe capacitância. No entanto, quando a frequência sobe, exibe constantemente sua indutância. De outra forma, sua impedância subirá primeiro e depois encolherá com a escalada de frequência e o valor mínimo de impedância equivalente ocorre na frequência harmônica em série f₀. Neste momento, a reatância capacitiva e indutiva são corretamente compensadas, exibindo a equivalência entre o valor de impedância e ESR com a menor resistência equivalente do capacitor. A curva de frequência do capacitor é mostrada na Figura 5.

Portanto, no processo de seleção do capacitor, o ponto de frequência harmônica do capacitor escolhido deve cair adjacente ao ponto de frequência que sofrerá desacoplamento. Seu desempenho capacitivo tem que ser totalmente aplicado e usado antes da frequência harmônica própria sempre que possível.

Diferentes capacitores com diferentes capacitâncias são compatíveis com diferentes frequências harmônicas próprias, exibidos na tabela abaixo.

Capacitância	DIP (MHz)	STM (MHz)
1,0 µF	2,5	5
0,1 µF	8	16
0,01 µF	25	50
1000 pF	80	160
100 pF	250	500
10 pF	800	1,6 (GHz)

Geralmente, as propriedades harmônicas do capacitor de desacoplamento são requeridas para serem aplicadas e a impedância de entrada mais baixa é obtida através de combinação paralela de capacitores. A resposta de frequência paralela do mesmo tipo de capacitores é ilustrada na Figura 6 abaixo.

Baseado neste método, ESR e ESL equivalentes podem ser grandemente reduzidos. Para múltiplos capacitores (n) com a mesma capacitância, a capacitância equivalente C torna-se nC após a combinação, enquanto a indutância equivalente L torna-se L/n, ESR equivalente torna-se R/n. No entanto, a frequência harmônica permanece inalterada. Pode-se ver que, como as frequências harmônicas próprias são as mesmas para diferentes tipos de capacitores, quanto mais capacitores paralelos houver, menor a impedância nas áreas capacitiva e indutiva, com o ponto de frequência harmônica própria inalterado.

Em conclusão, no processo de seleção de capacitores de desacoplamento, a frequência de desacoplamento deve ser considerada como ponto de frequência harmônica própria do desacoplamento para que o capacitor correspondente possa ser escolhido. Além disso, a aplicação paralela de múltiplos capacitores com a mesma capacitância é capaz de melhorar a capacidade de desacoplamento e reduzir a impedância.

• Determinação das posições dos capacitores de desacoplamento

Após a seleção dos capacitores de desacoplamento, suas posições devem ser levadas em conta. Os planos de energia e terra podem ser considerados como uma rede composta por múltiplos indutores e capacitores ou uma cavidade ressonante. Em uma certa frequência, a ressonância ocorre nos indutores e capacitores, influenciando a impedância no sistema de energia. Com a melhoria da frequência, a impedância muda constantemente, especialmente quando a ressonância paralela mantém-se notável, a impedância sobe notavelmente também. Portanto, as posições específicas dos capacitores de desacoplamento devem ser garantidas acopladas com análise harmônica do PCB.

Com a função de análise de ressonância da ferramenta de simulação SIWAVE aplicada, parâmetros equivalentes são obtidos, incluindo resistência, capacitância e indutância. Além disso, a análise de ressonância do PCB deve ser implementada com o modo de ressonância em diferentes pontos de frequência obtidos, como mostrado na Figura 7.

Acoplado com a Figura 1, pode-se observar que vários pontos de frequência com impedância relativamente grande são compatíveis com pontos de frequência nos quais a ressonância é gerada. Portanto, com o resultado da análise de ressonância, pode ser concluído que na área com ressonância séria, capacitores de desacoplamento com capacitância adequada devem ser colocados para reduzir a impedância.

Tomando o ponto de frequência de 673 MHz como exemplo, capacitores de desacoplamento podem ser colocados em paralelo para que a ressonância seja perdida e a impedância correspondente seja proibida, como mostrado na Figura 8.

Baseado na análise de ressonância do PCB, posições correspondentes nas quais a ressonância ocorre podem ser determinadas, com base nas quais capacitores com tamanho adequado são colocados em paralelo para proibir a impedância.

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