Analysieren und Unterbinden der Impedanz von Hochgeschwindigkeits-PCB-Leistung

Mit der Eskalation der Komplexität des PCB-Designs ist eine stabile und zuverlässige Stromversorgung zu einem neuen Trend in der Forschung zum Hochgeschwindigkeits-PCB-Design geworden. Insbesondere wenn sich die Anzahl der Schaltkomponenten ständig verbessert und Vcore ständig abnimmt, neigen Leistungsschwankungen dazu, das System tödlich zu beeinflussen. Daher ist es zu einem Schlüsselpunkt im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design geworden, die Stabilität des Stromversorgungssystems aufrechtzuerhalten.

Als Folge des Vorhandenseins der Impedanz des Stromversorgungssystems wird jedoch ein relativ großer Spannungsabfall durch den transienten Laststrom in der Impedanz des Stromversorgungssystems erzeugt, was zu einer Instabilität des Systems führt. Um sicherzustellen, dass jede Komponente von Anfang bis Ende mit normaler Leistung versorgt wird, muss die Impedanz im Stromversorgungssystem kontrolliert werden, was bedeutet, dass die Impedanz so weit wie möglich verringert werden sollte.

Die Anwendung eines Entkopplungskondensators ist eine effektive Methode, um die Impedanz im Stromversorgungssystem zu verhindern. Dieser Artikel analysiert die Gründe für das Impedanzverbot im Stromversorgungssystem durch Entkopplungskondensatoren und listet Methoden zur Auswahl von Entkopplungskondensatoren auf. Darüber hinaus erforscht es hauptsächlich, wie die Position des Entkopplungskondensators basierend auf einer harmonischen Analyse bestimmt werden kann, um das Impedanzverbot im Stromversorgungssystem zu maximieren.

Impedanzanalyse

Power und Masse können als großer Plattenkondensator betrachtet werden, dessen Kapazität nach der Formel C=kAr/d

berechnet wird

In dieser Formel ist k 0,2249 Zoll; A bezieht sich auf den parallelen Bereich zwischen zwei Ebenen; r bezieht sich auf die Dielektrizitätskonstante des Mediums und beträgt 4,5 für häufig verwendetes FR4-Plattenmaterial; d bezieht sich auf den Abstand zwischen Strom und Erde. Als Beispiel wird eine Leiterplatte mit der Größe von 2x1 Zoll herausgegriffen. Die Kapazität des durch Strom und Erde gebildeten Kondensators mit einer parallelen Fläche von 20 Milli-Inch beträgt ungefähr 0,2249 x 4,5 x 2 x 1/0,02 =101,2 pF. Basierend auf dieser Formel kann angegeben werden, dass die Entkopplungskapazität im Stromversorgungssystem so klein ist, dass die entsprechende Impedanz sehr groß sein wird, im Allgemeinen ein paar Ohm. Daher reicht es bei weitem nicht aus, die Impedanz durch die Selbstentkopplung im Stromversorgungssystem zu verringern.

Ein Simulationstool SIWAVE auf einer Ebene von 2,5D wird angewendet, um eine Impedanzsimulation auf einem aktiven Gerät zu implementieren. Das Netz aus Strom und Erde U41 wird aufgenommen, um XYZ-Parameter mit einem Wobbelbereich von 0 bis 1 GHz zu berechnen, wodurch eine Impedanzkurve in Abbildung 1 unten erhalten wird.

Im Diagramm ist zu sehen, dass sich die Impedanzkurve mit der Frequenzänderung ändert und die Impedanz sich stark an den Wendepunkten bei den Werten 670 MHz, 730 MHz und 870 MHz ändert.

Verbotsmethoden

• Theoretische Analyse zum Impedanzverbot durch Entkopplungskondensator

Da es unmöglich ist, die Impedanz durch die Entkopplung von der Stromversorgung selbst zu verringern, muss ein Entkopplungskondensator angewendet werden, um die Impedanz zu verhindern.

Abbildung 2 ist ein Diagramm eines zusammengesetzten Stromversorgungssystems. Abbildung 3 zeigt dieses Energiesystem in einem äquivalenten Energiemodell.

Für diese Schaltung kann eine Formel verwendet werden:V=ZxL. Es sollte ein Umstand erreicht werden, dass, selbst wenn der transiente Laststrom eine große Änderung zwischen Punkt A und Punkt B beibehält, die Spannungsänderung zwischen den zwei Punkten sehr klein sein muss. Basierend auf der Formel kann dieses Ziel niemals erreicht werden, es sei denn, der Wert der Impedanz (Z) ist ausreichend klein. In Abbildung 3 ist die Anwendung des Entkopplungskondensators hilfreich bei der Umsetzung dieses Ziels, sodass angezeigt werden kann, dass der Entkopplungskondensator die Impedanz im Stromversorgungssystem aus der Perspektive der Äquivalenz verringern kann. Darüber hinaus kann aus der Perspektive der Schaltungsprinzipien die gleiche Schlussfolgerung aufrechterhalten werden. Der Kondensator weist bei Wechselstromsignalen eine niedrige Impedanz auf. Infolgedessen ist die Beteiligung des Kondensators tatsächlich sicher, die Wechselstromimpedanz im Stromversorgungssystem zu verringern.

• Auswahl der Kapazität des Entkopplungskondensators

Es gibt nie einen idealen Kondensator, er enthält immer parasitäre Parameter. Der größte Einfluss auf die Hochfrequenzleistung des Kondensators stammt von ESR (Effective Series Inductance) und ESL (Effective Series Resistance). Abbildung 4 zeigt das Ersatzmodell unter Berücksichtigung parasitärer Parameter.

Kondensatoren können auch als Reihenharmonische betrachtet werden, wobei die Frequenz der Reihenharmonischen der Formel folgt:f=1/2PIFC. Wenn es im niederfrequenten Zustand bleibt, zeigt es Kapazität an. Bei steigender Frequenz zeigt er jedoch ständig seine Induktivität an. Anders ausgedrückt, seine Impedanz steigt zuerst und schrumpft dann mit der Eskalation der Frequenz, und der Mindestwert der äquivalenten Impedanz tritt bei der Reihenharmonischenfrequenz f₀ auf . Zu diesem Zeitpunkt sind die kapazitive Reaktanz und die induktive Reaktanz richtig versetzt und zeigen die Äquivalenz zwischen dem Wert der Impedanz und dem ESR mit dem kleinsten äquivalenten Widerstand des Kondensators an. Die Kurve der Kondensatorfrequenz ist in Abbildung 5 dargestellt.

Daher fällt im Prozess der Kondensatorauswahl der gewählte harmonische Frequenzpunkt des Kondensators neben den Frequenzpunkt, der unter Entkopplung leidet. Seine kapazitive Leistung muss, wann immer möglich, vor der selbstharmonischen Frequenz vollständig angewendet und genutzt werden.

Unterschiedliche Kondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität sind mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen kompatibel, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind.

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

Im Allgemeinen müssen harmonische Eigenschaften des Entkopplungskondensators angewendet werden, und die niedrigste Eingangsimpedanz wird durch Parallelkombination von Kondensatoren erzielt. Der parallele Frequenzgang des gleichen Kondensatortyps ist in Abbildung 6 unten dargestellt.

Basierend auf dieser Methode können äquivalente ESR und ESL stark reduziert werden. Für mehrere Kondensatoren (n) mit derselben Kapazität wird die äquivalente Kapazität C nach der Kombination zu nC, während die äquivalente Induktivität L zu L/n wird, der äquivalente ESR zu R/n. Die harmonische Frequenz bleibt jedoch unverändert. Da die Frequenzen der Eigenharmonischen für verschiedene Arten von Kondensatoren gleich sind, ist die Impedanz im kapazitiven und induktiven Bereich umso kleiner, je mehr Kondensatoren parallel sind, wobei der Frequenzpunkt der Eigenharmonischen unverändert bleibt.

Zusammenfassend sollte bei der Auswahl der Entkopplungskondensatoren die Entkopplungsfrequenz als selbstharmonischer Frequenzpunkt der Entkopplung betrachtet werden, damit der entsprechende Kondensator aufgenommen werden kann. Darüber hinaus kann die parallele Anwendung mehrerer Kondensatoren mit gleicher Kapazität die Entkopplungskapazität verbessern und die Impedanz verringern.

• Bestimmung der Positionen von Entkopplungskondensatoren

Nach der Auswahl der Entkopplungskondensatoren müssen deren Positionen berücksichtigt werden. Leistungs- und Masseebene können als ein Netzwerk angesehen werden, das aus mehreren Induktoren und Kondensatoren oder einem Resonanzhohlraum besteht. Bei einer bestimmten Frequenz tritt eine Resonanz an Induktivitäten und Kondensatoren auf, die die Impedanz im Stromversorgungssystem beeinflusst. Mit der Verbesserung der Frequenz ändert sich die Impedanz ständig, insbesondere wenn die Parallelresonanz bemerkenswert bleibt, steigt die Impedanz ebenfalls bemerkenswert an. Daher sollten die spezifischen Positionen von Entkopplungskondensatoren in Verbindung mit einer harmonischen Analyse von PCB sichergestellt werden.

Bei Anwendung der Resonanzanalysefunktion des SIWAVE-Simulationstools werden äquivalente Parameter einschließlich Widerstand, Kapazität und Induktivität geführt. Darüber hinaus sollte eine Resonanzanalyse von PCB mit dem Resonanzmodus an verschiedenen erhaltenen Frequenzpunkten implementiert werden, wie in Abbildung 7 gezeigt.

In Verbindung mit Fig. 1 kann beobachtet werden, dass mehrere Frequenzpunkte mit relativ großer Impedanz mit Frequenzpunkten kompatibel sind, an denen Resonanz erzeugt wird. Daher kann aus dem Ergebnis der Resonanzanalyse geschlossen werden, dass im Bereich mit starker Resonanzentkopplung Kondensatoren mit geeigneter Kapazität platziert werden sollten, um die Impedanz zu reduzieren.

Nehmen Sie als Beispiel einen Frequenzpunkt von 673 MHz. Entkopplungskondensatoren können parallel geschaltet werden, so dass die Resonanz verloren geht und die entsprechende Impedanz verhindert wird, wie in Abbildung 8 gezeigt.

Anhand der Leiterplatten-Resonanzanalyse können entsprechende Positionen ermittelt werden, an denen Resonanzen stattfinden, anhand derer Kondensatoren mit geeigneter Größe parallel geschaltet werden, um Impedanzen zu verhindern.

Hilfreiche Ressourcen
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