Характеристика обхідних конденсаторів

Я читав декілька публікацій, включаючи роздільні ковпачки , а також цю примітку про додаток Xilinx Network Distribution Network .

У мене є питання щодо значень конденсаторів в системі розподілу енергії. На жаль, я вважаю, що мені потрібно трохи ознайомитись, перш ніж я зможу задати це питання.

Як зазначено в публікації на форумі та в додатку, фізична геометрія конденсатора диктує самоіндуктивність. У разі роз'єднання конденсатор може моделюватися як невеликий блок живлення з внутрішнім опором, індуктивністю та ємністю. У частотній області вигляд внутрішнього опору конденсатора - це "корито", де початок (нуль) жолоба диктується значенням ємності, а кінець (полюс) - від паразитичної індуктивності. Найнижчу точку корита встановлюють або паразитарний опір, або найменше значення резонансної частоти LC-комбінації значення конденсатора / паразитичної індуктивності (залежно від того, що створює більший опір).

Далі - зображення, що ілюструє характеристики конденсатора

введіть тут опис зображення

ось рівняння резонансної частоти. -Дякую за ловлю цього Оліна

\frac{1}{2 π \sqrt{L \times C}}

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

Виходячи з цього міркування, можна вибрати конденсатор найбільшого розміру в заданому розмірі пакета, наприклад 0402, і властивості полюса не зміняться, і лише нуль буде переміщений на нижчу частоту (на зображенні нижній нахил буде переміщено вліво для великих значень конденсатора), що дозволяє обійти більш широкі смуги частот. Резонансний полюс, який визначає верхню частину конденсатора, повинен охоплювати будь-який конденсатор більш високого значення того ж розміру пакета.

Пізніше в примітці до додатка є розділ під назвою "Розміщення конденсаторів", де, як описано у відповіді Оліна, ефективність конденсатора стосується не лише індуктивності ковпачка, але також має відношення до розміщення ковпачка. . У розмовному відношенні проблема полягає в наступному: Оскільки ІС починає черпати більше потужності, напруга починає провисати, час, який потрібно, щоб цей провис бачив конденсатор роз'єднання, визначається швидкістю поширення матеріалу, що подає сигнал (напруга крапля) мусить подорожувати, в основному ближче краще. Приклад робиться в примітці про додаток, яка полягає в наступному

0,001uF X7R керамічний мікроконденсатор, пакет 0402 Lis = 1,6 nH (теоретична індуктивність як паразитичної самоіндуктивності, так і плати індуктивності)

Резонансна частота, при якій конденсатор має найменший опір, задається як

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

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

Період цієї частоти - 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

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

Для того щоб конденсатор був ефективним, він повинен мати можливість реагувати швидше, ніж напруга може просідати на штифті. Якщо пробіг напруги відбудеться швидше, ніж 7,95 м, ніж пройде деякий час між зануренням на штифт і здатністю конденсаторів реагувати на це занурення, що виявляється у спалах напруги, можливе зниження напруги до точки коричневого кольору, або скинути. Для того щоб конденсатор залишався ефективним, зміна напруги має відбуватися повільніше, ніж деяка частка резонансного періоду (Тріс). Для квантування цього твердження прийнятий ефективний час відгуку конденсатора становить 1/40 резонансної частоти, тому ефективна частота цього конденсатора дійсно

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

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

або конденсатор зможе покрити занурення, яке відбувається протягом .318uS.

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

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

На жаль, конденсатор зазвичай не може бути розміщений поверх шпильки, тому є інша затримка, внесена матеріалом, з якого складається друкована плата. Ця затримка може бути змодельована як швидкість поширення матеріалу. У примітці програми швидкість поширення стандартного діелектрика FR4 становить 166ps на дюйм.

Використовуючи ефективний резонансний період (Тріс) зверху та швидкість поширення матеріалу, ми можемо знайти відстань, на якій конденсатор залишається ефективним при Ефективному фрізі.

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

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

Нарешті я можу задати своє запитання!

Оскільки розмір упаковки - це частина ковпачка, що пом’якшує полюс або верхню межу опору модельованого джерела живлення, то не має значення, чи слід використовувати пакет 0,402 фунта 0,001uF або конденсатор 0,47 мкФ 0402 пакет. Кращим методом визначення фріс ковпачка є пошук частоти, з якою або внутрішній опір, або ефективна ємність перетинається з полюсом (залежно від того, яка точка вище). Це правильно? чи є якийсь інший фактор, який я не брав до уваги?

capacitor frequency decoupling-capacitor

— Дейв
джерело

Оце Так! А потім скажіть, що ми просто розміщуємо шапку 100nF :-)

— Федеріко Руссо

У вашому обчисленні резонансної частоти відсутній квадратний корінь. Він повинен бути F = 1 / (2 Pi sqrt (LC)).

— Олін Латроп

Розмір є важливим. Ковпак 1nF може не мати достатньо енергії для перемикання занурень. Вам доведеться знати, який струм викликає занурення та його тривалість.

— stevenvh

@Olin Lathrop Вуп спасибі! Ну репутація мене знову б'є, не можу редагувати публікацію без 10 ... якщо я коли-небудь туди потраплю, я це виправлю.

— Дейв

@Dave: "прийнятий ефективний час відгуку конденсатора становить 1/40 частки резонансного періоду", але тоді ви ділите частоту на 40. Ділення періоду = частота множення.

— Федеріко Руссо

Моя улюблена книга з електроніки - « Високошвидкісний цифровий дизайн: довідник чорної магії ». Я дуже рекомендую цю книгу. Це здається дорогим, але цілком коштує грошей. У цій книзі є 12 сторінок щодо вибору обхідного ковпачка! Автор, Говард Джонсон, також викладає деякі заняття з розв'язуванням кришок як одну з тем.

Деякі важливі речі, про які я дізнався протягом багатьох років, і які були підкріплені цією книгою, - це те, що "стандартні практики" з кришками для розв'язки майже завжди помиляються, і що для вибору та маршрутизації є більше мистецтва, ніж науки. .

Є багато розрахунків, які можна зробити щодо розв’язки кришок, але багато з них не є точними через багато речей. Самі кришки різко відрізняються (особливо більш високі діелектричні ковпачки, такі як X7R). Розмітка друкованої плати сильно змінює (і для цього вам потрібно буде продумати 3-D). Температура і напруга змінять поведінку ковпачків. Один ковпачок буде поводитись як "кришка згладжування блоку живлення", так і "кришка байпасу повернення сигналу змінного струму". І т.д.

Те, що зробив Джонсон, - після багатьох експериментів, з'ясував, що індуктивність - це найважливіший фактор, і він зашкалює майже кожен інший факт. Таким чином, мета при виборі та розміщенні ковпачків для розв'язки полягає у використанні безлічі фізично малих ковпачків з найвищим практичним значенням та їх розміщення, щоб загальна індуктивність була якомога нижчою.

Ідеальним було б використовувати багато ковпачків 0,1 мкФ в упаковці 0402. Помістіть їх під мікросхему на зворотній стороні друкованої плати. Ковпачок буде прокладено так, як на зображенні нижче. І віаси прямують до площин живлення / заземлення (а не до силових штифтів, оскільки це, як правило, збільшує індуктивність). Якщо ви помістите шапку під чіп, то іноді ви можете поділитися нею без проблем.

правильне розташування шапки

Причина, чому було обрано кришку 0,1 мкФ, полягає в тому, що вона є найвищою практичністю в упаковці 0402. Причиною, по якій було обрано 0402, є те, що він є найменшим практичним розміром, і ви хочете використовувати їх багато, щоб знизити ефективний ESL / ESR. Звичайно, всі ставки знімаються, якщо у вас двошарова друкована плата без потужності та заземлення.

Я не хочу принижувати використання математики, що важливо, але складність роз'єднання живлення та шляхи повернення змінного струму часто роблять математику не такою практичною в реальному світі. У реальному світі справді допомагає "велике правило". З багатьох правил цієї теми, тільки Говард Джонсон довів, що інші правила не працюють, і забезпечив це краще правило. Мої експерименти та досвід показали, що це правда.

Так, рівняння важливі до тих пір, поки ви пам'ятаєте помножити на нуль і додати в кінці відповідну кількість.

— Олін Латроп

@Olin Lathrop Doh! Я ділився на нуль, а не МНОГО. Ось чому це ніколи не працювало для мене!

Обхідні ковпачки служать як для мінімізації локальних провалів у VDD-VSS, так і для мінімізації сплеску основного струму живлення. За умови, що VDD-VSS не занурюється настільки, що створює проблеми, подальше зниження струму напруги живлення може бути кориснішим, ніж зменшення провалів VDD-VSS (оскільки перше спричиняє EMI). Я б очікував, що наявність обхідного ковпачка між площиною заземлення та джерелами живлення мікросхеми буде оптимальним для зменшення EMI; ти погодився б із цим?

— supercat

@supercat Я не дотримувався повністю. Ковпачки безпосередньо на штифтах power / gnd зменшать EMI, пов'язані з потужністю, але збільшать EMI за рахунок збільшення площі сигналів петлі плюс їх шляху повернення. Якщо мені доведеться вибирати між ковпачками на штифтах або ковпачками без віз до літаків, я б з віасом поїхав до літаків. Якщо ви надягнете кришки на тильну сторону друкованої плати, то ви можете мати свій торт і з'їсти його теж. Якщо я не можу цього зробити, то я би зробив якомога більше "креативних маршрутизацій", щоб зробити і те, і інше - по суті компроміс, ймовірно, маючи більше ковпачків і розміщуючи їх скрізь, я можу помістити один.

@David Kessner: Думаю, що якщо кришка між джерелом живлення та мікросхемою, то dI / dt живлення буде обмежено на величину, на яку напруга байпасного ковпака опускається. В іншому випадку, якщо, наприклад, індуктивність між штифтами та подачею становить 10 разів більше індуктивності між штифтами та ковпачком, то 10% будь-якого струмового стрибка буде передано через живлення. Чи моє мислення помилково?

— supercat