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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