Comment analyser et interdire l'impédance de l'alimentation PCB haute vitesse

Avec l'escalade de la complexité de la conception des circuits imprimés, une alimentation électrique stable et fiable est devenue une nouvelle tendance de la recherche sur la conception de circuits imprimés à grande vitesse. Surtout lorsque le nombre de composants de commutation ne cesse de s'améliorer et que Vcore diminue constamment, la fluctuation de la puissance a tendance à avoir une influence mortelle sur le système. Par conséquent, il est devenu un point clé dans la conception de circuits imprimés à grande vitesse pour maintenir la stabilité du système d'alimentation.

Cependant, en raison de l'existence de l'impédance du système électrique, une chute de tension relativement importante est générée par le courant transitoire de charge dans l'impédance du système électrique, ce qui conduit à l'instabilité du système. Afin de s'assurer que l'alimentation normale est fournie à chaque composant du début à la fin, l'impédance du système d'alimentation doit être contrôlée, ce qui signifie que l'impédance doit être réduite autant que possible.

L'application d'un condensateur de découplage est un moyen efficace d'interdire l'impédance dans le système d'alimentation. Cet article analyse les raisons de l'interdiction d'impédance dans le système d'alimentation en découplant le condensateur et répertorie les méthodes en termes de sélection du condensateur de découplage. De plus, il recherche principalement sur la façon de déterminer la position du condensateur de découplage sur la base de l'analyse harmonique afin de maximiser l'interdiction d'impédance dans le système d'alimentation.

Analyse d'impédance

La puissance et la masse peuvent être considérées comme un grand condensateur à plaques dont la capacité est calculée sur la base de la formule C=kAr/d

Dans cette formule, k est 0,2249 pouce; A fait référence à la zone parallèle entre deux plans ; r fait référence à la constante diélectrique du milieu et est de 4,5 pour le matériau de carte FR4 couramment utilisé ; d fait référence à la distance entre l'alimentation et la terre. Un PCB de la taille de 2x1 pouces est pris comme exemple. La capacité du condensateur formé par l'alimentation et la masse avec une zone parallèle de 20 mils est d'environ 0,2249 x 4,5 x 2 x 1/0,02 =101,2 pF. Sur la base de cette formule, on peut indiquer que la capacité de découplage dans le système d'alimentation est si petite que l'impédance correspondante sera très grande, généralement de quelques ohms. Par conséquent, il est loin d'être suffisant de diminuer l'impédance grâce à l'auto-découplage dans le système d'alimentation.

Un outil de simulation SIWAVE à un niveau de 2,5D est appliqué pour mettre en œuvre la simulation d'impédance sur le dispositif actif. Le réseau de puissance et de masse U41 est capté pour calculer les paramètres XYZ avec une plage de balayage de 0 à 1 GHz, à travers laquelle une courbe d'impédance est obtenue dans la figure 1 ci-dessous.

Dans le diagramme, on peut voir que la courbe d'impédance change avec le changement de fréquence et que l'impédance change considérablement aux points d'inflexion à la valeur de 670 MHz, 730 MHz et 870 MHz.

Méthodes d'interdiction

• Analyse théorique sur l'interdiction d'impédance par condensateur de découplage

Puisqu'il est impossible de diminuer l'impédance par le découplage de l'alimentation elle-même, un condensateur de découplage doit être appliqué pour interdire l'impédance.

La figure 2 est un schéma du système d'alimentation composé. La figure 3 indique ce système d'alimentation dans un modèle d'alimentation équivalent.

Une formule peut être appliquée pour représenter ce circuit :V=ZxL. Une circonstance doit être atteinte que même si le courant transitoire de charge maintient un grand changement entre le point A et le point B, le changement de tension doit être très faible entre les deux points. D'après la formule, ce but ne peut jamais être atteint si la valeur de l'impédance (Z) n'est pas suffisamment petite. Dans la figure 3, l'application du condensateur de découplage est utile à la mise en œuvre de cet objectif, on peut donc indiquer que le condensateur de découplage est capable de diminuer l'impédance dans le système d'alimentation du point de vue de l'équivalence. De plus, du point de vue des principes de circuit, la même conclusion peut être maintenue. Le condensateur présente une faible impédance sur les signaux de courant alternatif. En conséquence, la participation du condensateur est en fait sûre de diminuer l'impédance du courant alternatif dans le système d'alimentation.

• Sélection de la capacité du condensateur de découplage

Il n'y a jamais de condensateur idéal, il contient toujours des paramètres parasites. La plus grande influence sur les performances haute fréquence du condensateur provient de l'ESR (Effective Series Inductance) et de l'ESL (Effective Series Resistance). La figure 4 montre le modèle équivalent en tenant compte des paramètres parasites.

Le condensateur peut également être considéré comme un circuit harmonique série avec la fréquence harmonique série suivant la formule :f=1/2PIFC. Lorsqu'il reste dans les basses fréquences, il affiche une capacité. Cependant, lorsque la fréquence augmente, il affiche constamment son inductance. Autrement dit, son impédance augmentera d'abord puis diminuera avec l'augmentation de la fréquence et la valeur minimale de l'impédance équivalente a lieu à la fréquence harmonique série f₀ . À ce moment, la réactance capacitive et la réactance inductive sont correctement décalées, affichant l'équivalence entre la valeur de l'impédance et l'ESR avec la plus petite résistance équivalente du condensateur. La courbe de fréquence du condensateur est illustrée à la figure 5.

Par conséquent, dans le processus de sélection du condensateur, le point de fréquence harmonique du condensateur choisi tombe à côté du point de fréquence qui souffrira du découplage. Ses performances capacitives doivent être pleinement appliquées et utilisées avant la fréquence auto-harmonique dans la mesure du possible.

Différents condensateurs avec une capacité différente sont compatibles avec différentes fréquences auto-harmoniques sont affichés dans le tableau ci-dessous.

Capacité	DIP (MHz)	STM (MHz)
1.0μF	2.5	5
0,1 μF	8	16
0,01μF	25	50
1000pF	80	160
100pF	250	500
10pF	800	1,6 GHz

Généralement, les propriétés harmoniques du condensateur de découplage doivent être appliquées et l'impédance d'entrée la plus faible est obtenue grâce à une combinaison parallèle de condensateurs. La réponse en fréquence parallèle du même type de condensateurs est illustrée à la figure 6 ci-dessous.

Sur la base de cette méthode, l'ESR et l'ESL équivalents peuvent être considérablement réduits. Pour plusieurs condensateurs (n) avec la même capacité, la capacité équivalente C devient nC après combinaison tandis que l'inductance équivalente L devient L/n, l'ESR équivalente devient R/n. Cependant, la fréquence harmonique reste inchangée. On peut voir que puisque les fréquences auto-harmoniques sont les mêmes pour différents types de condensateurs, plus les condensateurs parallèles sont nombreux, plus l'impédance dans la zone capacitive et inductive est petite, avec un point de fréquence auto-harmonique inchangé.

En conclusion, dans le processus de sélection des condensateurs de découplage, la fréquence de découplage doit être considérée comme un point de découplage de fréquence auto-harmonique afin que le condensateur correspondant puisse être capté. De plus, l'application parallèle de plusieurs condensateurs avec la même capacité est capable d'améliorer la capacité de découplage et de réduire l'impédance.

• Détermination des positions des condensateurs de découplage

Après la sélection des condensateurs de découplage, leurs positions doivent être prises en compte. L'alimentation et le plan de masse peuvent être considérés comme un réseau composé de plusieurs inducteurs et condensateurs ou d'une cavité résonnante. À une certaine fréquence, une résonance se produit sur les inductances et les condensateurs, influençant l'impédance du système d'alimentation. Avec l'amélioration de la fréquence, l'impédance change constamment, surtout lorsque la résonance parallèle reste remarquable, l'impédance augmente également de manière remarquable. Par conséquent, les positions spécifiques des condensateurs de découplage doivent être assurées couplées à l'analyse harmonique du PCB.

Avec la fonction d'analyse de résonance de l'outil de simulation SIWAVE appliquée, des paramètres équivalents sont conduits, y compris la résistance, la capacité et l'inductance. De plus, l'analyse de résonance du PCB doit être mise en œuvre avec le mode de résonance à différents points de fréquence obtenus, comme le montre la figure 7.

Couplé à la figure 1, on peut observer que plusieurs points fréquentiels d'impédance relativement importante sont compatibles avec des points fréquentiels au niveau desquels une résonance est générée. Par conséquent, avec le résultat de l'analyse de résonance, on peut conclure que dans la zone à forte résonance, des condensateurs de découplage avec une capacité appropriée doivent être placés afin de réduire l'impédance.

Prenons l'exemple du point de fréquence de 673 MHz, les condensateurs de découplage peuvent être placés en parallèle afin que la résonance soit trouvée perdue et que l'impédance correspondante soit interdite, comme le montre la figure 8.

Sur la base de l'analyse de résonance PCB, les positions correspondantes auxquelles la résonance a lieu peuvent être déterminées, en fonction des condensateurs de taille appropriée placés en parallèle afin d'interdire l'impédance.

Ressources utiles
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