Cómo analizar y prohibir la impedancia de la alimentación de PCB de alta velocidad

Con el aumento de la complejidad del diseño de PCB, la fuente de alimentación estable y confiable se ha convertido en una nueva tendencia de investigación en el diseño de PCB de alta velocidad. Especialmente cuando la cantidad de componentes de conmutación mejora constantemente y el Vcore disminuye constantemente, la fluctuación de energía tiende a ejercer una influencia letal en el sistema. Por lo tanto, se ha convertido en un punto clave en el diseño de PCB de alta velocidad para mantener la estabilidad del sistema de energía.

Sin embargo, como resultado de la existencia de la impedancia del sistema de potencia, se genera una caída de voltaje relativamente grande por la corriente transitoria de carga en la impedancia del sistema de potencia, lo que conduce a la inestabilidad del sistema. Para garantizar que se suministre energía normal a cada componente desde el principio hasta el final, se debe controlar la impedancia en el sistema de energía, lo que significa que la impedancia se debe reducir tanto como sea posible.

La aplicación del condensador de desacoplamiento es una forma efectiva de prohibir la impedancia en el sistema de potencia. Este artículo analiza las razones de la prohibición de la impedancia en el sistema de potencia mediante el desacoplamiento del capacitor y enumera los métodos en términos de selección del capacitor de desacoplamiento. Además, investiga principalmente cómo determinar la posición del condensador de desacoplamiento en función del análisis de armónicos para maximizar la prohibición de impedancia en el sistema de potencia.

Análisis de impedancia

La potencia y la tierra se pueden considerar como un condensador de placa grande cuya capacidad se calcula según la fórmula C=kAr/d

En esta fórmula, k es 0,2249 pulgadas; A se refiere al área paralela entre dos planos; r se refiere a la constante dieléctrica del medio y es 4,5 para el material de placa FR4 de uso común; d se refiere a la distancia entre el poder y la tierra. Se toma como ejemplo una PCB con un tamaño de 2x1 pulgadas. La capacitancia del capacitor formado por energía y tierra con un área paralela de 20 Mils es de aproximadamente 0.2249x4.5x2x1/0.02=101.2pF. Con base en esta fórmula, se puede indicar que la capacitancia de desacoplamiento en el sistema de potencia es tan pequeña que la impedancia correspondiente será muy grande, generalmente un par de ohmios. Por lo tanto, está lejos de ser suficiente para disminuir la impedancia a través del autodesacoplamiento en el sistema de potencia.

Se aplica una herramienta de simulación SIWAVE a un nivel de 2.5D para implementar la simulación de impedancia en el dispositivo activo. Se toma la red de alimentación y tierra U41 para calcular los parámetros XYZ con un rango de barrido de 0 a 1 GHz, a través de los cuales se obtiene una curva de impedancia en la Figura 1 a continuación.

En el diagrama, se puede ver que la curva de impedancia cambia con el cambio de frecuencia y la impedancia cambia mucho en los puntos de inflexión en el valor de 670 MHz, 730 MHz y 870 MHz.

Métodos de prohibición

• Análisis teórico de la prohibición de impedancia por condensador de desacoplamiento

Dado que es imposible disminuir la impedancia a través del desacoplamiento de la potencia misma, se debe aplicar un capacitor de desacoplamiento para prohibir la impedancia.

La Figura 2 es un diagrama del sistema de potencia compuesto. La Figura 3 indica este sistema de potencia en un modelo de potencia equivalente.

Se puede aplicar una fórmula para representar este circuito:V=ZxL. Se debe dar la circunstancia de que incluso si la corriente transitoria de carga mantiene un gran cambio entre el punto A y el punto B, el cambio de voltaje tiene que ser muy pequeño entre los dos puntos. Según la fórmula, este objetivo nunca se puede lograr a menos que el valor de la impedancia (Z) sea lo suficientemente pequeño. En la Figura 3, la aplicación del capacitor de desacoplamiento es útil para la implementación de este objetivo, por lo que se puede indicar que el capacitor de desacoplamiento es capaz de disminuir la impedancia en el sistema de potencia desde la perspectiva de la equivalencia. Además, desde la perspectiva de los principios del circuito, se puede mantener la misma conclusión. El condensador presenta baja impedancia en señales de corriente alterna. Como resultado, es seguro que la participación del capacitor disminuirá la impedancia de corriente alterna en el sistema de energía.

• Selección de capacitancia del capacitor de desacoplamiento

Nunca hay un condensador ideal, siempre tiene parámetros parásitos. La mayor influencia en el rendimiento de alta frecuencia del capacitor se deriva de ESR (Inductancia en serie efectiva) y ESL (Resistencia en serie efectiva). La figura 4 muestra el modelo equivalente teniendo en cuenta los parámetros parasitarios.

El condensador también se puede considerar como un circuito armónico en serie con la frecuencia armónica en serie siguiendo la fórmula:f =1/2PIFC. Cuando permanece en la circunstancia de baja frecuencia, muestra capacitancia. Sin embargo, cuando la frecuencia aumenta, muestra constantemente su inductancia. Dicho de otra manera, su impedancia aumentará primero y luego se reducirá con la escalada de frecuencia y el valor mínimo de impedancia equivalente tendrá lugar en la frecuencia armónica en serie f₀ . En este momento, la reactancia capacitiva y la reactancia inductiva se compensan correctamente, mostrando la equivalencia entre el valor de impedancia y ESR con la resistencia equivalente más pequeña del capacitor. La curva de frecuencia del capacitor se muestra en la Figura 5.

Por lo tanto, en el proceso de selección del capacitor, el punto de frecuencia armónica del capacitor elegido cae junto al punto de frecuencia que sufrirá el desacoplamiento. Su rendimiento capacitivo debe aplicarse y utilizarse por completo antes de la frecuencia armónica propia siempre que sea posible.

Diferentes condensadores con diferente capacitancia son compatibles con diferentes frecuencias armónicas propias que se muestran en la tabla a continuación.

Capacidad	INMERSIÓN (MHz)	STM (MHz)
1,0 μF	2.5	5
0,1 μF	8	16
0,01 μF	25	50
1000pF	80	160
100pF	250	500
10pF	800	1,6 (GHz)

En general, se requiere aplicar las propiedades armónicas del capacitor de desacoplamiento y la impedancia de entrada más baja se obtiene a través de la combinación en paralelo de capacitores. La respuesta de frecuencia paralela del mismo tipo de capacitores se ilustra en la Figura 6 a continuación.

Según este método, la ESR y la ESL equivalentes se pueden reducir considerablemente. Para capacitores múltiples (n) con la misma capacitancia, la capacitancia equivalente C se convierte en nC después de la combinación, mientras que la inductancia equivalente L se convierte en L/n, la ESR equivalente se convierte en R/n. Sin embargo, la frecuencia armónica permanece sin cambios. Se puede ver que, dado que las frecuencias de los armónicos propios son las mismas para los diferentes tipos de condensadores, cuanto más son los condensadores en paralelo, menor es la impedancia en el área capacitiva e inductiva, con el punto de frecuencia de los armónicos propios sin cambios.

En conclusión, en el proceso de selección de capacitores de desacoplamiento, la frecuencia de desacoplamiento debe considerarse como el punto de desacoplamiento de la frecuencia armónica propia para que el capacitor correspondiente pueda ser recogido. Además, la aplicación en paralelo de varios capacitores con la misma capacitancia es capaz de mejorar la capacidad de desacoplamiento y reducir la impedancia.

• Determinación de las posiciones de los condensadores de desacoplamiento

Después de la selección de los condensadores de desacoplamiento, se deben tener en cuenta sus posiciones. El plano de potencia y tierra se puede considerar como una red compuesta por múltiples inductores y capacitores o una cavidad resonante. A una determinada frecuencia, se produce resonancia en los inductores y condensadores, lo que influye en la impedancia del sistema de potencia. Con la mejora de la frecuencia, la impedancia cambia constantemente, especialmente cuando la resonancia en paralelo se mantiene notable, la impedancia también aumenta notablemente. Por lo tanto, las posiciones específicas de los condensadores de desacoplamiento deben garantizarse junto con el análisis armónico de PCB.

Con la función de análisis de resonancia de la herramienta de simulación SIWAVE aplicada, se obtienen parámetros equivalentes que incluyen resistencia, capacitancia e inductancia. Además, el análisis de resonancia de PCB debe implementarse con el modo de resonancia obtenido en diferentes puntos de frecuencia, como se muestra en la Figura 7.

Junto con la Figura 1, se puede observar que varios puntos de frecuencia con una impedancia relativamente grande son compatibles con puntos de frecuencia en los que se genera resonancia. Por lo tanto, con el resultado del análisis de resonancia, se puede concluir que en el área con resonancia grave se deben colocar capacitores de desacoplamiento con capacitancia adecuada para reducir la impedancia.

Tome el punto de frecuencia de 673 MHz como ejemplo, los capacitores de desacoplamiento se pueden colocar en paralelo para que se pierda la resonancia y se prohíba la impedancia correspondiente, como se muestra en la Figura 8.

Según el análisis de resonancia de PCB, se pueden determinar las posiciones correspondientes en las que se produce la resonancia, en función de qué condensadores con el tamaño adecuado se colocan en paralelo para prohibir la impedancia.

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