Hoogspannings-PCB-voeding onder de knie: Analyseer en elimineer impedantie voor betrouwbare prestaties

Met de escalatie van de complexiteit van PCB-ontwerp is een stabiele en betrouwbare voeding een nieuwe trend in het onderzoek naar hoogspannings-PCB-ontwerp. Vooral wanneer het aantal schakelcomponenten constant toeneemt en Vcore constant daalt, neigt de fluctuatie van de voeding ertoe een dodelijke invloed op het systeem te brengen. Daarom is het een kernpunt in hoogspannings-PCB-ontwerp om de stabiliteit van het voedingssysteem te behouden.

Echter, als gevolg van het bestaan van voedingssysteem-impedantie, wordt een relatief grote spanningsval gegenereerd door belasting-transiente stroom in de voedingssysteem-impedantie, wat leidt tot onstabielheid van het systeem. Om te garanderen dat normale voeding aan elk component van begin tot eind wordt geleverd, moet de impedantie in het voedingssysteem worden gecontroleerd, wat betekent dat de impedantie zoveel mogelijk moet worden verlaagd.

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

Impedantieanalyse

Voeding en ground kunnen worden beschouwd als een grote platencondensator wiens capaciteit wordt berekend op basis van de 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 het medium en is 4,5 voor algemeen gebruikt FR4-bordmateriaal; d verwijst naar de afstand tussen voeding en ground. Een PCB met de grootte van 2×1 inch wordt als voorbeeld gekozen. De capaciteit van de condensator gevormd door voeding en ground met een parallelle oppervlakte van 20 mils is ongeveer 0,2249×4,5×2×1/0,02 = 101,2 pF. Op basis van deze formule kan worden aangegeven dat de ontkoppelcapaciteit in het voedingssysteem zo klein is dat de corresponderende impedantie zeer groot zal zijn, meestal een paar ohm. Daarom is het verre van voldoende om de impedantie te verlagen door de zelf-ontkoppeling in het voedingssysteem.

Een simulatiehulpmiddel SIWAVE op 2,5D-niveau wordt toegepast om impedantiesimulatie op actief apparaat uit te voeren. Het voeding- en groundnetwerk U41 wordt geselecteerd om XYZ-parameters te berekenen met een sweep-bereik van 0 tot 1 GHz, waardoor een impedantiecurve wordt verkregen in onderstaande Figuur 1.

In het diagram kan worden gezien dat de impedantiecurve verandert met de verandering van de frequentie en de impedantie sterk verandert bij de inflectiepunten bij de waarden van 670 MHz, 730 MHz en 870 MHz.

Verbodsmethoden

• Theoretische analyse van impedantieverbod door ontkoppelcondensator

Omdat het onmogelijk is om de impedantie te verlagen door de ontkoppeling van de voeding zelf, moet een ontkoppelcondensator worden toegepast om de impedantie te verbieden.

Figuur 2 is een diagram van een samengesteld voedingssysteem. Figuur 3 geeft dit voedingssysteem weer in een equivalent voedingsmodel.

Een formule kan worden toegepast om deze schakeling weer te geven: V = Z × L. Een omstandigheid moet worden bereikt dat zelfs als de belasting-transiente stroom een grote verandering behoudt tussen punt A en punt B, de spanningsverandering tussen de twee punten zeer klein moet zijn. Op basis van de formule kan dit doel nooit worden bereikt tenzij de waarde van de impedantie (Z) voldoende klein is. In Figuur 3 is de toepassing van de ontkoppelcondensator behulpzaam voor de implementatie van dit doel, dus kan worden aangegeven dat de ontkoppelcondensator in staat is om de impedantie in het voedingssysteem te verlagen vanuit het perspectief van equivalentie. Verder, vanuit het perspectief van schakelprincipes, kan dezelfde conclusie worden gehandhaafd. Condensator kenmerkt lage impedantie op wisselstroomsignalen. Als gevolg is de participatie van de condensator eigenlijk zeker om de wisselstroomimpedantie in het voedingssysteem te verlagen.

• Selectie van capaciteit van ontkoppelcondensator

Er is nooit een ideale condensator, het heeft altijd parasitaire parameters. De grootste invloed op de hoge-frequentieprestaties van de condensator afkomstig van ESR (Effectieve Serie-inductie) en ESL (Effectieve Serie-weerstand). Figuur 4 toont het equivalente model met rekening houdend met parasitaire parameters.

Condensator kan ook worden beschouwd als een serie-harmonische schakeling met de serie-harmonische frequentie volgens de formule: f = 1/2π√(LC). Bij lage frequentie toont het capaciteit. Echter, wanneer de frequentie stijgt, toont het constant zijn inductie. Anders gezegd, de impedantie zal eerst stijgen en daarna dalen met de escalatie van de frequentie en de minimumwaarde van de equivalente impedantie treedt op bij de serie-harmonische frequentie f₀. Op dit moment zijn de capacitieve reactantie en inductieve reactantie juist gecompenseerd, wat de equivalentie tussen de waarde van de impedantie en ESR toont met de kleinste equivalente weerstand van de condensator. De frequentiecurve van de condensator wordt in Figuur 5 getoond.

Daarom bij de selectie van de condensator moet de gekozen condensator-harmonische frequentiepunt angrenzen aan het frequentiepunt dat zal lijden onder ontkoppeling. De capacitieve prestaties moeten zo veel mogelijk volledig worden toegepast en gebruikt vóór de zelf-harmonische frequentie.

Verschillende condensators met verschillende capaciteiten zijn compatibel met verschillende zelf-harmonische frequenties, weergegeven in de onderstaande tabel.

Over het algemeen worden harmonische eigenschappen van ontkoppelcondensatoren vereist om te worden toegepast en de laagste invoerimpedantie wordt verkregen door parallelle combinatie van condensators. De parallelle frequentierespons van hetzelfde type condensators wordt in Figuur 6 hieronder geïllustreerd.

Op basis van deze methode kunnen equivalente ESR en ESL aanzienlijk worden verlaagd. Voor meerdere condensators (n) met dezelfde capaciteit, wordt de equivalente capaciteit C na combinatie nC, terwijl equivalente inductie L wordt L/n, equivalente ESR wordt R/n. De harmonische frequentie blijft echter onveranderd. Het kan worden gezien dat aangezien zelf-harmonische frequenties hetzelfde zijn voor verschillende typen condensators, hoe meer parallelle condensators, hoe kleiner de impedantie in capacitieve en inductieve gebieden is, met het zelf-harmonische frequentiepunt ongewijzigd.

Concluderend, in het proces van selectie van ontkoppelcondensatoren, moet de ontkoppelfrequentie worden beschouwd als het zelf-harmonische frequentiepunt van de ontkoppeling, zodat de corresponderende condensator kan worden gekozen. Daarnaast is de parallelle toepassing van meerdere condensators met dezelfde capaciteit in staat om de ontkoppelcapaciteit te verbeteren en de impedantie te verlagen.

• Bepaling van de posities van ontkoppelcondensatoren

Na de selectie van ontkoppelcondensatoren, moeten hun posities in aanmerking worden genomen. Voeding- en groundvlak kan worden beschouwd als een netwerk samengesteld uit meerdere inducties en condensators of een resonantiekamer. Op een bepaalde frequentie treedt resonantie op in inducties en condensators, wat de impedantie in het voedingssysteem beïnvloedt. Met de verbetering van de frequentie verandert de impedantie constant, vooral wanneer de parallelle resonantie opmerkelijk blijft, stijgt de impedantie ook opmerkelijk. Daarom moeten de specifieke posities van ontkoppelcondensatoren worden verzekerd gekoppeld met harmonische analyse van de PCB.

Met de resonantie-analysefunctie van het SIWAVE-simulatiehulpmiddel toegepast, worden equivalente parameters afgeleid waaronder weerstand, capaciteit en inductie. Bovendien moet resonantie-analyse van de PCB worden geïmplementeerd met de resonantiemodus op verschillende frequentiepunten verkregen, zoals getoond in Figuur 7.

Gekoppeld met Figuur 1, kan worden waargenomen dat verschillende frequentiepunten met relatief grote impedantie compatibel zijn met frequentiepunten waar resonantie wordt gegenereerd. Daarom, met het resultaat van resonantie-analyse, kan worden geconcludeerd dat in het gebied met ernstige resonantie ontkoppelcondensators met geschikte capaciteit moeten worden geplaatst om de impedantie te verlagen.

Neem het frequentiepunt van 673 MHz als voorbeeld, ontkoppelcondensators kunnen parallel worden geplaatst, zodat resonantie verloren gaat en de corresponderende impedantie verboden wordt, zoals getoond in Figuur 8.

Op basis van PCB-resonantieanalyse kunnen de corresponderende posities waar resonantie plaatsvindt worden bepaald, op basis waarvan condensators met geschikte grootte parallel worden geplaatst om de impedantie te verbieden.

Nuttige bronnen
• Elementen die karakteristieke impedantie van PCB beïnvloeden en oplossingen
• Impedantiecontrole in PCB-ontwerp van hoogspannings digitale schakeling
• Impedantie-ontwerpoverwegingen voor flex-rijge PCB
• Impedantiecontrole van via's en de invloed ervan op signaalintegriteit in PCB-ontwerp
• Volledige PCB-fabricagedienst van PCBCart - Meerdere waarde-toevoegende opties
• Geavanceerde PCB-assemblagedienst van PCBCart - Vanaf 1 stuk