Характеристика байпасных конденсаторов

Я читал несколько постов, включая разделительные заглушки, а также заметку о приложении Xilinx Power Distribution Network .

У меня есть вопрос относительно значений конденсаторов в системе распределения энергии. К сожалению, я считаю, что я должен дать немного фона, прежде чем я смогу задать этот вопрос.

Как указано в сообщении на форуме и в приложении, физическая геометрия конденсатора определяет самоиндуктивность. В случае развязки конденсатор может быть смоделирован как небольшой источник питания с внутренним сопротивлением, индуктивностью и емкостью. В частотной области вид внутреннего импеданса конденсатора представляет собой «впадину», где начало (ноль) впадины определяется значением емкости, а конец (полюс) - паразитной индуктивностью. Самая низкая точка впадины задается либо паразитным сопротивлением, либо наименьшим значением резонансной частоты комбинации LC значения конденсатора / паразитной индуктивности (в зависимости от того, какое сопротивление выше).

Ниже приведено изображение, иллюстрирующее характеристики конденсатора.

введите описание изображения здесь

вот уравнение для резонансной частоты. Спасибо, что поймали этого Олина

\frac{1}{2 π \sqrt{L \times C}}

$\frac{1}{2\pi \sqrt{L \times C}}$

По этой причине можно выбрать конденсатор самого большого размера в данном размере упаковки, например 0402, и свойства полюса не изменятся, и только ноль будет перемещен на более низкую частоту (на изображении наклон вниз будет переместился влево для больших значений конденсатора), позволяя обойти более широкую полосу частот. Резонансный полюс, который определяет верхнюю часть конденсатора, должен охватывать любой конденсатор более высокого значения с таким же размером упаковки.

Позже в примечании к приложению есть раздел под названием «Размещение конденсатора», где, как описано в ответе Олина, эффективность конденсатора касается не только индуктивности крышки, но также связана с размещением крышки. , В разговорной речи проблема заключается в следующем: поскольку IC начинает потреблять больше энергии, напряжение начинает провисать, время, необходимое для того, чтобы этот провал был виден развязывающим конденсатором, определяется скоростью распространения материала, по которому сигнал (напряжение) падение) должны путешествовать, в основном ближе, тем лучше. Пример сделан в примечании приложения, которое выглядит следующим образом

Керамический чип-конденсатор 0,001 мкФ X7R, упаковка 0402 Lis = 1,6 нГ (теоретическая индуктивность как паразитной самоиндуктивности, так и индуктивности платы)

Резонансная частота, при которой конденсатор имеет самый низкий импеданс, задается как

F r i s = \frac{1}{2 π \sqrt{L \times C}}

$Fris = \frac{1}{2\pi \sqrt{L \times C}}$

F r i s = \frac{1}{2 π \sqrt{1.6 \times 10^{-} 9 \times 0.001 \times 10^{-} 6}} = 125.8 M H z

$Fris = \frac{1}{2\pi \sqrt{1.6\times10^-9 \times 0.001\times10^-6}} = 125.8MHz$

Период этой частоты трис

T r i s = \frac{1}{F r i s}

$Tris = \frac{1}{Fris}$

T r i s = \frac{1}{125.8 \times 10^{6}} = 7.95 n s

$Tris = \frac{1}{125.8\times10^6} = 7.95ns$

Чтобы конденсатор был эффективным, он должен реагировать быстрее, чем напряжение может падать на контакт. Если провал напряжения произойдет быстрее, чем 7,95 нс, чем будет некоторое время между провалом на контакте и способностью конденсаторов реагировать на этот провал, проявляющийся в скачках напряжения, то возможно падение напряжения до точки коричневого цвета, или сбросить Чтобы конденсатор оставался эффективным, изменение напряжения должно происходить с меньшей скоростью, чем некоторая доля резонансного периода (трис). Для квантования этого утверждения допустимое эффективное время отклика конденсатора составляет 1/40 от резонансной частоты, поэтому эффективная частота этого конденсатора действительно

E f f e c t i v e F r i s = \frac{125.8 \times 10^{6}}{40} = 3.145 M H z

$Effective Fris = \frac{125.8\times10^6}{40} = 3.145MHz$

или конденсатор сможет покрыть провал, который происходит в течение периода 318 мкс.

E f f e c t i v e T r i s = \frac{1}{3.145 \times 10^{6}} = .318 u s

$Effective Tris = \frac{1}{3.145\times10^6} = .318us$

К сожалению, конденсатор обычно не может быть размещен на верхней части штырька, поэтому существует другая задержка, вносимая материалом, из которого состоит печатная плата. Эта задержка может быть смоделирована как скорость распространения материала. В примечании к приложению скорость распространения стандартного диэлектрика FR4 составляет 166ps на дюйм.

Используя эффективный резонансный период (Tris) сверху и скорость распространения материала, мы можем найти расстояние, на котором конденсатор остается эффективным при эффективном Fris.

D i s t a n c e (x) = \frac{t i m e (t)}{s p e e d (\frac{t}{x})}

$Distance(x) = \frac{time(t)}{speed(\frac{t}{x})}$

D i s t a n c e (x) = \frac{.318 \times 10^{-} 6}{1.66 \times 10^{-} 12} = 1.20 i n

$Distance(x) = \frac{.318\times10^-6}{1.66\times10^-12} = 1.20in$ или около 3,0 см

Наконец я могу задать свой вопрос!

Поскольку размер упаковки является частью крышки, которая смягчает полюс или верхнюю границу полного сопротивления смоделированного источника питания, то не должно иметь значения, должен ли я использовать упаковку 0402 с крышкой 0,001 мкФ или конденсатор 0,47 мкФ. Пакет 0402. Лучший метод определения Fris крышки - найти частоту, с которой либо внутреннее сопротивление, либо эффективная емкость пересекается с полюсом (какая бы точка не была выше). Это верно? или есть какой-то другой фактор, который я не учел?

capacitor frequency decoupling-capacitor

— Дейв
источник

Вот это да! А потом скажем, что мы просто поместили 100 нФ кепку :-)

— Федерико Руссо

В вашем расчете резонансной частоты отсутствует квадратный корень. Это должно быть F = 1 / (2 Pi sqrt (LC)).

— Олин Латроп

Размер является важным. Колпачок на 1 нФ может не содержать достаточно энергии, чтобы преодолеть провал. Вы должны будете знать, какой ток вызывает провал и его продолжительность.

— Стивенвх

@ Олин Латроп. Woops спасибо! Ну, репутация снова побеждает, я не могу редактировать пост без 10 ... если я когда-нибудь попаду туда, я это исправлю.

— Дэйв

@Dave: «допустимое эффективное время отклика конденсатора составляет 1/40 от периода резонанса», но затем вы делите частоту на 40. Деление периода = частота умножения.

— Федерико Руссо

Моя любимая книга по электронике " Высокоскоростной цифровой дизайн: руководство по черной магии ". Я очень рекомендую эту книгу. Это кажется дорогим, но оно того стоит. Эта книга имеет 12 страниц по выбору заглушки обхода! Автор, Говард Джонсон, также преподает некоторые классы с разделением заглавных букв как одна из тем.

Некоторые важные вещи, которые я выучил за эти годы и которые были подкреплены этой книгой, заключаются в том, что «стандартные практики» с разъединяющими заглавными буквами почти всегда ошибочны, и в их выборе и маршрутизации больше искусства, чем науки. ,

Есть много расчетов, которые вы можете сделать в отношении развязки колпачков, но многие из них не точны из-за многих вещей. Сами колпачки сильно различаются (особенно у диэлектрических колпачков с более высокими характеристиками, таких как X7R) Компоновка печатной платы сильно меняет положение (и вам нужно подумать о 3-D для этого). Температура и напряжение изменят поведение крышек. Один колпачок будет вести себя как «колпачок сглаживания источника питания» и «колпачок байпаса обратного сигнала переменного тока». И т.п.

После долгих экспериментов Джонсон выяснил, что индуктивность является наиболее важным фактором, и он перекрывает практически все остальные соображения. Таким образом, цель при выборе и размещении развязывающих колпачков состоит в том, чтобы использовать множество физически маленьких колпачков с наивысшим практическим значением и расположить их так, чтобы общая индуктивность была как можно ниже.

Идеально было бы использовать много крышек по 0,1 мкФ в упаковке 0402. Поместите их под чип на задней стороне печатной платы. Крышка должна быть проложена, как на рисунке ниже. И переходные отверстия идут непосредственно к плоскостям питания / заземления (не к выводам питания микросхемы, поскольку это обычно увеличивает индуктивность). Если вы поместите крышку под чип, то иногда вы можете поделиться тем же путем без каких-либо проблем.

правильное расположение колпачка развязки

Причина, по которой был выбран колпачок 0,1 мкФ, заключается в том, что он является самым практичным в упаковке 0402. Причина, по которой был выбран 0402, заключается в том, что он имеет наименьший практический размер, и вы хотите использовать их много, чтобы снизить эффективную ESL / ESR. Конечно, все ставки сняты, если у вас 2-слойная печатная плата без питания и заземления.

Я не хочу преуменьшать использование математики, это важно, но сложность развязки источников питания и путей возврата переменного тока часто делает математику не такой практичной в реальном мире. В реальном мире «правило большого пальца руки» действительно помогает. Из многих практических правил для этой темы только Говард Джонсон доказал, что другие правила не работают, и предоставил это лучшее правило. Мои эксперименты и опыт показали, что это правда.

Да, уравнения важны, если вы помните, чтобы умножить на ноль и добавить соответствующее количество в конце.

— Олин Латроп

@ Олин Латроп Дох! Я делился на ноль, не умножая. Вот почему это никогда не работало для меня!

Обходные колпачки служат как для минимизации локальных провалов в VDD-VSS, так и для минимизации скачков тока основной сети. При условии, что VDD-VSS не будет падать так сильно, чтобы вызвать проблемы, дальнейшее снижение скачков тока питания будет более полезным, чем уменьшение провалов VDD-VSS (поскольку первое вызывает EMI). Я ожидаю, что наличие заглушки байпаса между заземляющей плоскостью и выводами питания микросхемы будет оптимальным для снижения электромагнитных помех; Ты бы согласился с этим?

— суперкат

@supercat Я не следовал полностью. Ограничение непосредственно на выводах power / gnd уменьшит электромагнитные помехи, связанные с питанием, но увеличит электромагнитные помехи из-за увеличенной области петли сигналов плюс их обратного пути. Если бы мне пришлось выбирать между колпачками на штифтах или колпачками с переходами на плоскости, я бы пошел с переходными отверстиями на плоскости. Если вы положите колпачки на тыльную сторону печатной платы, то можно съесть свой торт и съесть его тоже. Если я не могу этого сделать, то я бы сделал как можно больше «творческой маршрутизации», чтобы сделать и то и другое - по сути, компромисс, возможно, имея больше заглавных букв и размещая их везде, где я смогу.

@ Дэвид Кесснер: Я думал, что если колпачок находится между источником питания и микросхемой, то значение dI / dt источника питания будет ограничено величиной, на которую падает напряжение в байпасной крышке. В противном случае, если, например, индуктивность между выводами и источником питания в 10 раз превышает индуктивность между выводами и крышкой, то 10% любого скачка тока будет передаваться через источник питания. Мое мышление ошибочно?

— суперкат