Impedantie van high-speed PCB-stroom analyseren en verbieden

Met de escalatie van de complexiteit van PCB-ontwerp, is stabiele en betrouwbare voeding een nieuwe trend geworden in het onderzoek naar high-speed PCB-ontwerp. Vooral wanneer het aantal schakelcomponenten voortdurend verbetert en Vcore voortdurend afneemt, heeft de fluctuatie van het vermogen de neiging om dodelijke invloed op het systeem te hebben. Daarom is het een belangrijk punt geworden in high-speed PCB-ontwerp om de stabiliteit van het voedingssysteem te behouden.

Als gevolg van het bestaan ​​van de impedantie van het voedingssysteem wordt echter een relatief grote spanningsval gegenereerd door tijdelijke belastingsstroom in de impedantie van het voedingssysteem, wat leidt tot instabiliteit van het systeem. Om ervoor te zorgen dat elke component van het begin tot het einde normaal vermogen krijgt, moet de impedantie in het voedingssysteem worden geregeld, wat betekent dat de impedantie zo veel mogelijk moet worden verlaagd.

De toepassing van een ontkoppelingscondensator is een effectieve manier om de impedantie in het voedingssysteem te verbieden. Dit artikel analyseert de redenen voor het verbod op impedantie in het voedingssysteem door de condensator te ontkoppelen en geeft een overzicht van methoden voor de selectie van ontkoppelingscondensatoren. Bovendien onderzoekt het voornamelijk hoe de positie van de ontkoppelcondensator kan worden bepaald op basis van harmonische analyse om het impedantieverbod in het voedingssysteem te maximaliseren.

Impedantieanalyse

Vermogen en aarde kunnen worden beschouwd als een grote plaatcondensator waarvan de capaciteit wordt berekend op basis van formule C=kAr/d

In deze formule is k 0,2249 inch; A verwijst naar het parallelle gebied tussen twee vlakken; r verwijst naar de diëlektrische constante van medium en het is 4,5 voor veelgebruikt FR4-plaatmateriaal; d verwijst naar de afstand tussen stroom en aarde. Als voorbeeld wordt een PCB genomen met de afmeting 2x1inch. De capaciteit van de condensator gevormd door stroom en aarde met een parallel gebied van 20Mils is ongeveer 0,2249x4,5x2x1/0,02=101.2pF. Op basis van deze formule kan worden aangegeven dat de ontkoppelingscapaciteit in het voedingssysteem zo klein is dat de bijbehorende impedantie erg groot zal zijn, een paar ohm in het algemeen. Daarom is het verre van voldoende om de impedantie te verlagen door middel van zelfontkoppeling in het voedingssysteem.

Een simulatietool SIWAVE op een niveau van 2,5D wordt toegepast om impedantiesimulatie op een actief apparaat te implementeren. Het netwerk van stroom en aarde U41 wordt opgepikt om XYZ-parameters te berekenen met een bereik van 0 tot 1 GHz, waardoor een impedantiecurve wordt verkregen in figuur 1 hieronder.

In het diagram is te zien dat de impedantiecurve verandert met de verandering van frequentie en de impedantie sterk verandert op de buigpunten bij de waarde van 670MHz, 730MHz en 870MHz.

Verbodsmethoden

• Theoretische analyse van impedantieverbod door ontkoppelcondensator

Aangezien het onmogelijk is om de impedantie te verlagen door de ontkoppeling van de voeding zelf, moet een ontkoppelingscondensator worden toegepast om de impedantie te voorkomen.

Figuur 2 is een diagram van een samengesteld energiesysteem. Afbeelding 3 geeft dit voedingssysteem aan in een equivalent voedingsmodel.

Voor deze schakeling kan een formule worden toegepast:V=ZxL. Er moet een omstandigheid worden bereikt dat zelfs als de tijdelijke belastingsstroom een ​​grote verandering tussen punt A en punt B handhaaft, de spanningsverandering tussen de twee punten erg klein moet zijn. Op basis van de formule kan dit doel nooit worden bereikt tenzij de waarde van impedantie (Z) voldoende klein is. In figuur 3 is de toepassing van een ontkoppelingscondensator nuttig voor de implementatie van dit doel, zodat kan worden aangegeven dat de ontkoppelingscondensator in staat is om de impedantie in het voedingssysteem te verlagen vanuit het perspectief van gelijkwaardigheid. Verder kan vanuit het perspectief van circuitprincipes dezelfde conclusie worden gehandhaafd. Condensator heeft een lage impedantie op wisselstroomsignalen. Als gevolg hiervan zal de deelname van de condensator zeker de wisselstroomimpedantie in het voedingssysteem verminderen.

• Selectie van capaciteit van ontkoppelcondensator

Er is nooit een ideale condensator, deze bevat altijd parasitaire parameters. De grootste invloed op de hoogfrequente prestaties van condensatoren is afkomstig van ESR (Effective Series Inductance) en ESL (Effective Series Resistance). Figuur 4 toont het equivalente model met inachtneming van parasitaire parameters.

Condensator kan ook worden beschouwd als een serie harmonische schakeling met de serie harmonische frequentie volgens de formule:f =1/2PIFC. Wanneer het in de laagfrequente omstandigheid blijft, geeft het de capaciteit weer. Wanneer de frequentie echter stijgt, geeft deze constant zijn inductantie weer. Anders gezegd, zijn impedantie zal eerst stijgen en dan krimpen met de escalatie van de frequentie en de minimumwaarde van equivalente impedantie vindt plaats bij de harmonische seriefrequentie f₀ . Op dit moment zijn de capacitieve reactantie en inductieve reactantie terecht gecompenseerd, waardoor de equivalentie wordt weergegeven tussen de waarde van impedantie en ESR met de kleinste equivalente weerstand van de condensator. De curve van de condensatorfrequentie wordt getoond in figuur 5.

Daarom valt het gekozen harmonische frequentiepunt van de condensator tijdens het selecteren van de condensator naast het frequentiepunt dat te lijden zal hebben van ontkoppeling. De capacitieve prestaties moeten waar mogelijk volledig worden toegepast en gebruikt voorafgaand aan de zelfharmonische frequentie.

Verschillende condensatoren met verschillende capaciteiten zijn compatibel met verschillende zelfharmonische frequenties worden weergegeven in onderstaande tabel.

Over het algemeen moeten harmonische eigenschappen van ontkoppelcondensatoren worden toegepast en wordt de laagste ingangsimpedantie verkregen door parallelle combinatie van condensatoren. De parallelle frequentierespons van hetzelfde type condensatoren wordt geïllustreerd in Afbeelding 6 hieronder.

Op basis van deze methode kunnen equivalente ESR en ESL sterk worden verminderd. Voor meerdere condensatoren (n) met dezelfde capaciteit, wordt de equivalente capaciteit C nC na combinatie, terwijl de equivalente inductantie L L/n wordt, de equivalente ESR wordt R/n. De harmonische frequentie blijft echter ongewijzigd. Het is te zien dat aangezien de zelfharmonische frequenties hetzelfde zijn voor verschillende soorten condensatoren, hoe meer parallelle condensatoren er zijn, hoe kleiner de impedantie in het capacitieve en inductieve gebied is, terwijl het zelfharmonische frequentiepunt ongewijzigd blijft.

Concluderend, in het proces van het ontkoppelen van condensatoren, moet de ontkoppelingsfrequentie worden beschouwd als een zelfharmonisch frequentiepunt van ontkoppeling, zodat de overeenkomstige condensator kan worden opgepikt. Bovendien kan de parallelle toepassing van meerdere condensatoren met dezelfde capaciteit de ontkoppelingscapaciteit verbeteren en de impedantie verlagen.

• Bepaling van de posities van ontkoppelcondensatoren

Nadat de condensatoren zijn ontkoppeld, moet rekening worden gehouden met hun posities. Vermogen en grondvlak kunnen worden beschouwd als een netwerk bestaande uit meerdere inductoren en condensatoren of een resonantieholte. Bij een bepaalde frequentie vindt resonantie plaats naar inductoren en condensatoren, waardoor de impedantie in het voedingssysteem wordt beïnvloed. Met de verbetering van de frequentie verandert de impedantie constant, vooral wanneer de parallelle resonantie opmerkelijk blijft, de impedantie stijgt ook opmerkelijk. Daarom moeten de specifieke posities van ontkoppelcondensatoren worden gegarandeerd in combinatie met harmonische analyse van PCB's.

Met de resonantieanalysefunctie van de SIWAVE-simulatietool toegepast, worden equivalente parameters geleid, waaronder weerstand, capaciteit en inductantie. Bovendien moet resonantieanalyse van PCB's worden geïmplementeerd met de resonantiemodus op verschillende verkregen frequentiepunten, zoals weergegeven in figuur 7.

In combinatie met figuur 1 kan worden opgemerkt dat verschillende frequentiepunten met relatief grote impedantie compatibel zijn met frequentiepunten waarop resonantie wordt gegenereerd. Daarom kan met het resultaat van resonantieanalyse worden geconcludeerd dat in het gebied met ernstige resonantie ontkoppelingscondensatoren met geschikte capaciteit moeten worden geplaatst om de impedantie te verminderen.

Neem als voorbeeld een frequentiepunt van 673 MHz, ontkoppelcondensatoren kunnen parallel worden geplaatst, zodat resonantie verloren gaat en de bijbehorende impedantie wordt verboden, zoals weergegeven in afbeelding 8.

Op basis van PCB-resonantieanalyse kunnen overeenkomstige posities worden bepaald waarop resonantie plaatsvindt, op basis van welke condensatoren met geschikte afmetingen parallel worden geplaatst om impedantie te voorkomen.

Nuttige bronnen
• Elementen die van invloed zijn op de karakteristieke impedantie van PCB's en oplossingen
• Impedantieregeling in PCB-ontwerp van snelle digitale schakelingen
• Overwegingen bij impedantie-ontwerp voor flexibele PCB's
• Impedantie Controle van via's en de invloed ervan op signaalintegriteit in PCB-ontwerp
• Full Feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk