Как разместить развязывающий конденсатор в четырехслойной печатной плате?

Я искал технологический документ о размещении развязывающих конденсаторов, и основная идея показана на следующем рисунке:

Я думаю, что это разумно, но я должен положить разделительный конденсатор и MCU в одном слое? мне не удобно размещать другие устройства. Поэтому я решил разместить развязывающий конденсатор в нижнем слое

Моя печатная плата является четырехслойной (signal-power-gnd-signal), и когда я делю мощность и gnd-слои, два переходных отверстия, замыкающих контакты MCU на приведенном выше рисунке, не включаются в сеть и gnd-уровень. Есть ли у него такая же хорошая производительность, как в случае f на первой картинке? Нужно ли брать индуктивность переходных отверстий в этом случае?

Это сложная проблема для анализа, и многие ее части важны только тогда, когда вы сталкиваетесь с проблемой с определенной частотой в конкретном продукте, который никто не знает, как ее исправить.

Хотя этот ответ является своего рода побочным пунктом, он затрагивает некоторые предположения. Мы говорим об ограничителях байпаса, которые касаются только высокочастотного шума, а не большого потребления мощности. Высокочастотный шум лучше всего решать с использованием монолитных керамических колпачков (ESR менее важен, так как это всего лишь ваш минимальный достижимый импеданс). Большие потоки мощности требуют больших колпачков из тантала. Смотрите характеристики частоты здесь:

Вы можете использовать SFR (собственную резонансную частоту) в своих интересах. Если у вас есть проблема с утечкой тактовой частоты 1 ГГц, вы можете начать с добавления еще одной заглушки байпаса, которая является саморезонансной чуть выше 1 ГГц. 0402 10 пФ (по опыту, а не по графику) довольно резонансны около 1 ГГц.

Однако это только часть истории. Что происходит на более высоких частотах? Установленная индуктивность играет роль, и именно здесь раскладка также вступает в игру между слоями на плате. Например, слой питания и слой заземления на плате с крышкой SMD имеют следующую модель петли индуктивности - показана красным:

В примере 2 плоскостей (мощность / gnd) в FR4 вы можете видеть, что на высоких частотах даже монтаж конденсатора может иметь большое значение. Черный след без шапки. Синий и красный показывают две различные монтажные топологии, которые показывают различные монтажные индуктивности.

Антирезонансы могут вызывать больше проблем при высоких скоростях. И вы можете подумать, что вас не волнует шум 1 ГГц +, но FCC может, и если вы хотите иметь четкие границы в ваших цифровых сигналах 500 МГц, то вам понадобится много гармоник для этой прямоугольной волны. Например, для часов с тактовой частотой 100 МГц, для которых требуется время нарастания 0,5 нс, требуется гармоника не менее 900 МГц.

Так что насчет самой упаковки? У вас есть драйверы вывода, входные контакты, соединительные провода, контакты заземления, контакты питания ... (fyi ecb = pcb)

Полная модель будет выглядеть примерно так (включая эффекты перекрестных связей). Плоскость полости - это то место, где должна быть изображена матрица. (Игнорируйте деталь с помощью эквивалента L + R для пакета Bypass Cap - этот бит для микросхемы, связанной с некоторыми на борту, не подходит для этого вопроса).

Используя микроволновые зонды, высокочастотный сетевой анализатор и специальные калибровочные устройства TDR, можно оценить влияние пакета как с точки зрения мощности / заземления, так и перекрестной связи.

Теперь вдобавок ко всему, у нас есть ваш вопрос о том, куда поставить крышку. Я нашел хорошую статью Говарда Джонсона, который показывает, как создать модель системы и как ее анализировать и измерять. Вот пример макета и как посмотреть каждую часть и оптимизировать ее.

К сожалению, презентация не касается вашего конкретного случая IC для переходных отверстий или IC, чтобы ограничить переходные отверстия. Вы можете поиграть с моделью и посмотреть, какая из них обеспечивает больший обход, но помните эффекты ограничения и связь между мощностью и земной плоскостью. Держу пари, если чип является вашим источником шума, минимизация всей индуктивности между головкой и крышкой обеспечит наилучшие результаты, если предположить, что переходные отверстия для крышки также близки и симметричны, как в случае F.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Мне пришло в голову, что я должен обобщить всю эту информацию. Из обсуждения вы можете видеть, что есть много аспектов высокочастотной работы, которые требуют тщательного рассмотрения:

• выбранный тип конденсатора (размер упаковки, материал и стоимость)
• емкость и антирезонанс самой плоскости Power-Ground
• индуктивность монтажа конденсаторов (существуют специальные высокочастотные колпачки SMD, такие как ICD / X2Y)
• цифровым проектам нужно удивительное количество высокочастотных гармоник
• Тип упаковки IC
• наконец макет

Случай F оптимизирует вышеупомянутую модель компоновки источника шума : и .L 1 = L 3 = m i n i m u $L_2=L_4=0$$L_1=L_3=minimum$

Из комментариев в дискуссии с Дэвидом о BGA, где размещение байпаса на задней стороне платы с переходными отверстиями может быть нормальным и часто оптимальным выбором. Это потому, что даже если вы действительно можете уменьшить и общее решение лучше, чем создание длинных трасс для обходной крышки без использования переходных отверстий. Кроме того, стиль упаковки BGA имеет меньшую индуктивность, что помогает при обходе.L 1 = L 3 = ев м л $L_2=L_4\ne0$$L_1=L_3=small$

Кроме того, эта модель показывает, почему компоновка должна быть максимально симметричной, чтобы сделать обходной колпачок наиболее эффективным, чтобы уменьшить как отскок земли, так и выбросы питания, сохраняя как заземляющие, так и силовые пути как можно более похожими.

Ваша цель при установке конденсатора состоит в том, чтобы уменьшить импеданс переменного тока питающих шин. Вы хотите сделать все эти вещи:

• минимизировать сопротивление
• минимизировать индуктивность
• максимизировать емкость

Предполагая, что длины следов достаточно короткие и толстые, сопротивление будет незначительным по отношению к индуктивности. Добавить больше емкости легко. Минимизация индуктивности является сложной частью.

Вычислить индуктивность точно сложно, но есть простое правило: индуктивность пропорциональна площади, окруженной контуром, в котором течет ток. Поскольку на высоких частотах индуктивность (а не сопротивление) силовых шин является более значимым импедансом, ваша цель - убедиться, что индуктивность через развязывающий колпачок ниже, чем индуктивность через все остальное. В идеале, с большим отрывом, поскольку вы, по сути, делаете фильтр, который ослабляет высокочастотный шум, генерируемый ИС, на рельсах источника питания.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Если вы поместите C1 внизу, то вы добавите больше индуктивности к L3, требуя, чтобы шумовой ток проходил через переходные отверстия. Это хуже, чем иметь его на вершине, но достаточно ли это хорошо? Это будет зависеть от вашего приложения и того, сколько шума вы можете терпеть.

Если у вас будет четыре переходных отверстия, как в предложенной схеме, лучше подключить все четыре к силовым плоскостям. Кроме того, держите их как можно ближе к контактным площадкам, так что вам даже не нужны следы для их соединения. Это минимизирует общую индуктивность. Вам не нужно беспокоиться о том, чтобы шумовые токи проходили мимо конденсатора. Индуктивность рельсов питания (L2) заставит высокочастотный ток делать это, поскольку рельсы намного больше и имеют гораздо большую площадь контура. Вместо этого сосредоточьтесь на минимизации индуктивности к вашему конденсатору (L1, L3).

Кроме того, имейте в виду, что хотя увеличение L2 улучшит фильтр, если вы сделаете это, переместив переходные отверстия, соединяющие конденсатор с плоскостями питания, далеко (как в вашем примере F), то вы делаете это, включив рамочную антенну в ваш макет. Это приведет к ухудшению характеристик электромагнитных помех и отказов заземления. Если вам необходимо добавить сопротивление, используйте резистор или индуктор с малой утечкой. Однако я редко думаю, что это необходимо: осмотрите какую-нибудь очень высокоскоростную компоновку, например материнскую плату ПК, вокруг процессора, и вы не найдете L2 или R2 за пределами того, что неизбежно и присуще компоновке. Если вы собираетесь добавить еще один компонент, почему бы не добавить еще один развязывающий конденсатор, который удвоит емкость и уменьшит вдвое нежелательные индуктивности?

Электрические заряды протекают по многим путям.

Я пытаюсь изобразить путь, по которому движутся электроны каждый раз, когда микросхема протягивает импульс питания через пару силовых контактов - один положительный, другой - GND. Для каждого конденсатора на всей плате электроны движутся по замкнутому пути (цепи) от этого конденсатора через некоторый путь к одному выводу питания, а другой вывод питания обратно к тому же конденсатору.

Общая площадь петли этого замкнутого контура пропорциональна его индуктивности.

Пути с меньшим сопротивлением будут автоматически переносить больше зарядов. Пока вы предоставляете хотя бы один путь с низким импедансом, заряды будут автоматически использовать его.

Если этот путь включает в себя какой-то широкий проводник, такой как плоскость заземления, существует много возможных путей через эту плоскость. В начале импульса заряды автоматически воспользуются преимуществом любого конкретного пути через этот проводник, что сведет к минимуму площадь контура и минимальную индуктивность - это хорошо.

У меня была одна печатная плата, где конденсаторы для АЦП были на противоположной стороне платы от АЦП. Я измерил значительно меньше шума после того, как снял эти конденсаторы и добавил конденсаторы к клеммам питания АЦП на той же стороне платы. Насколько я понимаю, улучшение полностью связано с устранением сквозной индуктивности.

два переходных отверстия, закрывающие контакты MCU на изображении выше, не будут включены в сеть и gnd-слой.

Кажется, есть 4 случая.

1. Конденсатор расположен напротив выводов питания IC на той же стороне платы. Цикл идет от конденсатора, через один вывод питания, через другой вывод питания обратно к конденсатору. Для большинства чипов это дает наименьшую площадь петли, минимизируя индуктивность.
2. Конденсатор расположен на противоположной стороне платы, а 4 переходных отверстия между ним и микросхемой соединены с плоскостями питания и заземления. Цикл проходит от конденсатора через 2 параллельных канала через один вывод питания, через другой вывод питания через другие 2 параллельных канала обратно к конденсатору.
3. Конденсатор расположен на противоположной стороне платы, а 2 переходных отверстия между ним и микросхемой соединены с плоскостями питания и заземления. Цепь проходит от конденсатора через одно сквозное соединение в одном выводе питания, через другой вывод питания через другое сквозное соединение обратно в конденсатор.
4. Конденсатор расположен на противоположной стороне платы, а 2 переходных отверстия между ним и чипом тщательно изолированы от плоскостей питания и заземления. 2 других переходных отверстия соединяют конденсатор с плоскостями питания и заземления. Изоляция переходных отверстий, чтобы они не соединялись с питанием или плоскостями GND, может только увеличить общий сетевой импеданс, усиливая отскок от земли - я не вижу никакой причины когда-либо делать это.

(2) и (4) переходные отверстия расположены в одинаковых местах, занимая одинаковое пространство.

Некоторые высокоскоростные цифровые устройства и некоторые высокоточные аналоговые устройства требуют использования (1) - другие опции не будут работать вообще. Такие устройства обычно специально упоминают об этом в техническом паспорте.

Некоторые устройства будут адекватно работать с опциями (2) или (3). У них хуже отказов от земли и хуже EMI ​​/ RFI / EMC, но если результат все еще значительно ниже пределов FCC и работает адекватно, это может стоить того, чтобы упростить маршрутизацию.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Стеван Добрасевич. «Freescale Semiconductor AN2127 / D: Руководство по электромагнитной совместимости для автомобильных систем трансмиссии на основе MPC500» в «Рис. 2 Приложение двухстороннего размещения компонентов MPC55x» рекомендует вариант 2: конденсаторы на противоположной стороне платы от процессора, с процессором и конденсаторы, каждый из которых напрямую подключен к положительной и GND-плоскостям с несколькими переходными отверстиями

Разделение - одна из наименее изученных тем в технике.

«Избегание шума на печатной плате» содержит несколько советов по предотвращению шума на печатной плате. В частности « Генри У. Отт» описывает разделение и компоновку печатной платы со смешанным сигналом, точно показывает, где находятся «шумовые токи», объясняет, почему тщательная изоляция заземления иногда делает вещи немного лучше, и как решить реальную проблему (и все основания вместе, чтобы сделать одну твердую плоскость земли) является лучшим. Тщательная изоляция прохода (или любой другой части плоскости GND) от плоскости GND контрпродуктивна.

Либо (а) этот путь является путем минимальной индуктивности, и не имеет значения, тщательно ли вы изолируете его через GND или нет - большинство из них движутся по одному и тому же пути, независимо от того, есть соединение с GND или нет. Или (b) есть какой-то другой путь, который имеет меньшую площадь контура, следовательно, меньшую индуктивность, и в этом случае тщательная изоляция этого прохода от GND ухудшит (увеличит) эту индуктивность и ухудшит ЭМС / EMI / RFI.

Размещение развязывающего конденсатора, несколько вещей:

1. Он должен быть физически как можно ближе к выводу питания микросхемы.
2. Следы, соединяющие переходы decap с отверстиями PWR и GND, должны быть толстыми и максимально короткими.
3. Далее следует, должны ли быть размещены в верхней или нижней части? Ответ: decap должен быть расположен близко к плоскости питания, чтобы он мог легко подключить питание, которое может доставить IC. Пример: если уровень 2 из TOP является плоскостью питания, поместите IC на уровень TOP, если уровень 3 является плоскостью питания из TOP, поместите IC на нижний уровень. Эта точка действительна только для асимметричного наращивания печатной платы, так как область цикла остается неизменной для симметричных стеков.
4. Поскольку декапы также действуют как резервуар для хранения заряда, конденсаторы с меньшим значением ESR (эффективное последовательное сопротивление), такие как Tantalum SMD, дают лучшую производительность, чем сквозные.