布鲁斯Archambeault,博士学位。
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数控三角研究园
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介绍
使用电力和地面之间的解耦电容连接飞机在印刷电路板(PCB)是一种常见的做法,有助于确保适当的功能和减少EMI排放从印刷电路板。适当数量的去耦电容,去耦电容的特征值之间总是辩论的一个主题EMC工程师和设计工程师。一些典型经验法则需要为每个功率解耦电容销IC。其他经验法则需要至少一个去耦电容器每一侧身体大ICs。还是其他经验法则需要去耦电容均匀每平方英寸。很少真正可用的最佳方法是信息技术文献。这些法则导致激烈的设计解耦策略,自说通常是应用更好的安全比抱歉。许多这些经验法则是基于一个神话。除了这些经验法则,有许多直接存在的神话和发布,添加通用设计社区重大混乱。这些神话有一定的理性来证明他们,其他人没有。最近的一个神话声称去耦电容引起的排放!然而,大多数神话并不是那么容易的折扣。
传统上,去耦电容的值在很大程度上是基于习惯和电磁兼容工程师的经验。0.01超滤或0.1 uf通常使用的值。经常使用较小的电容器并联与主去耦电容器提供高频和低频滤波效果。然而,潜在的交叉共振时可能产生的负面影响在近距离使用多个电容器。
总体结果是,电源平面的设计解耦(飞机和地面之间的参考平面)一直在历史上难以正确地设计或分析。与400 - 800 MHz的车载时钟速度越来越常见,必须采取更加合理的方法来优化设计解耦电容的印刷电路(PC)。
背景
有两个主要用途使用之间的解耦能力和接地参照飞机。功能的第一个目的是,解耦电容电荷存储设备,当集成电路开关状态和需要额外的电流,当地去耦电容器供应电流通过低电感路径。如果电容器能够供应所有当前所需的集成电路,然后电压保持不变(无论电源电压设置)。如果电容器是不能提供所需的电流,然后暂时降低集成电路的电压功率销到提供足够的电流,或者直到当前需要的是结束了。如果不提供足够的电流,IC可能有故障。因此,重要的是要找到解耦电容接近当前的需求(IC电源针,有一个低电感路径从IC电源插脚的飞机,从集成电路的接地参照针接地参照平面,从解耦电容电源和接地参照飞机。
去耦电容的第二个目的是减少噪声注入电源和接地参照平面对排放,从而减少EMI电路板的边缘。板的边缘可能是金属外壳的缝合处附近,或一个通气孔附近区域,允许这噪音逃离圈地。另一种可能性是这噪音两到I / O连接器别针,和直接耦合电缆上的金属外壳,等等。
这种噪声的来源是两个原因之一:(1)临时降低集成电路的电压销销电能不提供足够的电流的解耦电容(短时间电压脉冲),或(2)之间的噪声信号注入力量和接地参照飞机由于故意电流与时钟信号通过或其他快速开关信号。它已经被测量显示活跃ICs噪声之间的相对大小这两个原因典型的电源和接地参照飞机差不多。
一旦一个信号从源导致噪声之间的权力和接地参照飞机,目的是为了减少噪声电压水平使用去耦电容。
解耦电容性能测量过程
自“真实”的印刷电路板相当复杂,很难分离的各种EMC效应向董事会知道一个特定的变化产生了影响,直接可追溯到原始的变化。因此,创建一个特殊的印刷电路板,帮助分析各种去耦电容器配置的影响。
测试板的描述
这个调查主要集中在一个层印刷电路板,10 x 12英寸的外形尺寸。这被认为是一个典型的董事会中使用当前的产品。自30 MHz的频率范围在调查中扩展1 GHz,可重复和控制方法来测试板的连接是必需的。一组15 SMA连接器安装在董事会如图1所示。每个SMA连接器是SMT解耦电容周围的四个地点。图2显示了每个位置的细节。
图1 - t板SMA连接器配置
图2以及董事会SMA连接器领域细节
图3 -额外的解耦电容测试板上的位置
除了SMA连接器,和周围的去耦电容器站点,位置为额外的SMT解耦电容在印刷电路板上的每一寸。图3显示了一个图额外的去耦电容器的位置。
所有与网络/阻抗分析仪进行测量。两个单端和双端口测量使用。一个端口测量阻抗的测量,而两个端口测量S21 [1]。每个结果的例子将在下一节中提供的。
初始测量阻抗测量。观察阻抗在30 - 1800 MHz的频率范围允许更好的理解的有效性自然interplane电容去耦电容的影响,以及董事会的共鸣。然而,阻抗在给定位置印刷电路板电磁兼容工程师不是主要关心的。更重要的参数对电磁兼容工程师是“噪音”[2]的数量在一个偏远的位置由于一些IC源位置。远程位置可能是印刷电路板的边缘(这是缝附近的金属屏蔽罩),或通过附近一个I / O信号跟踪,并连接到一个外部连接器。因此,S21参数是一个更好的解耦配置的EMC性能考虑。目标是尽可能低S21之间的潜在来源,和一个远程位置的问题。
去耦电容器配置测量结果
有许多不同类型的解耦配置测量,以及电容值是不同的。本地源分离,之间的区别和分布式脱钩当时调查。最后,电容的数量,和各种电容的值(一个或多个值)。
纵观S21传递函数的测量,发现明显共振效应在高频率。高于200 MHz,共振由于董事会维度成为主导因素。根据其位置在印刷电路板用于传递函数测量,一个特定的共振频率可能会兴奋,或者可能不是兴奋。然而,从EMC的角度来看,是不可能控制一个组件可能会把所以确保特定共振模式不会兴奋,所以所有模式都必须假定。这组实验中,中心和一个角落端口使用,这样大部分的谐振模式会兴奋在感兴趣的频率范围(< 2 GHz)。
进一步的实验与各种电容值在不同的位置显示,虽然特定的谐振频率会转移到另一个频率(如电容器被添加和/或董事会)移动,阻抗的一般形状和水平的共振峰并没有改变。这表明整个共振频率范围必须考虑共振。即自谐振频率变化与任何改变,那么所有必须假定为谐振频率,和整体的信封S21传递函数降低。这些共振是极其重要的,需要一个全波分析考虑的物理尺寸。这使得香料为高频去耦电路分析无效的分析。
来源与分布的解耦
正如前面提到的,一个常见的问题在EMC和设计工程师是否放置去耦电容接近“噪音”的来源(也就是说,在电力和/或地面ICs的针),或简单地分配在整个董事会。为了帮助确定最佳设计方法,S21传递函数测试印刷电路板没有电容的测量,然后有四个0.01 uF电容器只有源SMA连接器和在100毫升,然后以0.01超滤电容分布在整个董事会。
图4显示了S21端口之间的结果8和10测试印刷电路板。注意尺度更好地显示S21数据已经改变,这一个日志(dB)规模用于S21振幅[3]。结果表明,唯一的区别no-capacitor情况和four-close-to-the-source-capacitor情况低于50 MHz。图4显示很少观察改进[4]200 MHz以上频率与董事会甚至完全填充电容器。这是由于.01uf电容贴片电容的阻抗极大地影响它的内部电感的电感(垫和通过在黑板上)。
而分布式解耦策略似乎是最佳的EMC设计,信号完整性设计考虑附近仍然需要一个去耦电容器高速集成电路提供必要的供应与尽可能低的串联电感电流。解耦策略的组合满足EMC和信号完整性需求。
图4
数量的分布式去耦电容。01佛罗里达大学)
调查去耦电容的数量分布在董事会使用只有0.01 uF SMT[5]电容器。S21传递函数的测量各种不同的端口组合,和各种各样的分布电容。是尽一切努力,使电容器均匀地分布在多个板数量的电容器。结果和结论为各种板源和接收位置是一致的。虽然个人共振可能略有变化,整体的信封S21传递函数不受地理位置的影响。因此,只有一个源和接收一对会报道。
在图5中可以看出,增加电容器降低了S21传递函数在低频率范围(低于200 - 400 MHz)。在更高的频率,S21传递函数的包络略微下降(尽管共振频率转移)电容器被添加。
分布式电容电容器的最大数量是99,代表一个电容器每平方英寸电脑测试板。这是一个密集的电容器位置多在真正的产品可能是可以接受的。
图5
分布式去耦电容的数量(0.01 uf和330 pf)
最近已经有很多讨论使用所谓的高频电容器和常规电容器的组合来优化的解耦性能在一个广泛的频率。大部分的分析是使用香料电路类型进行分析,而忽略了三维全波PC板的性质。
0.01超滤电容结合330 pF电容器来确定影响的高频性能S21当两个不同的电容值。对于这组实验,测试印刷电路板是完全填充交替. 01佛罗里达大学和330 pF电容器(所有99个地点了一幅超滤的电容器或330 pF电容器,但不是两个值)。这组实验以港到港再次重复了许多不同的组合和各种不同的电容值。从各种组合的结果一致,这里只显示一个结果。
结果在图6中显示的频率低于约75 MHz, S21行为非常类似于只有0.01 uF电容器的情况。然而,S21传递函数是75 - 200 MHz范围内急剧恶化由于横向共振共鸣的(一个电容器的电容电感的其他电容器和电感之间的飞机)。没有明显的改善高频去耦性能的第二电容的价值。事实上,所有解耦性能差的频率范围,典型噪声能量的存在(50 - 200 MHz)。
图6
选择去耦电容的值
去耦电容的实际价值是另一个激烈的争论的主题。进行了一系列的实验来显示不同的电容值的影响。结果如图7所示。
电容器的值被改变从佛罗里达大学的0.01至0.33 0.1超滤和超滤的高频性能并没有明显的变化传递函数。的电感电容和通过了在高频电容器的阻抗。最佳解决方案是选择一个贴片电容的大小,然后使用电容可用的最大价值在这个包的大小。
有损的电容器
是普遍接受的解耦电容应该低等效串联电阻(ESR)。然而,它已经表明,在高频率,正常电路类型类比与测量结果是不一致的,而物理共振频率较高时董事会占据主导地位。因此,有必要增加一些数量的损失抑制这些共振的品质因数。一系列的实验ESR电容器高(约10欧姆串联0.1 uF电容器在同一个SMT包)表明,有损电容器可以在高频率有显著的影响。图8显示了从这些测量结果。最好的情况下似乎是当约50%的总电容是有损的,剩下的50%是常规低ESR电容器。
图8
总结
仔细的测量表明,许多常见的解耦神话都是虚假的。虽然许多这些神话被认为是“经验法则”,他们没有科学依据,包括所有的现实世界和全波三维效果。适当的解耦策略,PC板需要考虑这些电容器的两个目的。为了提供快速交付功能的集成电路,收费低ESR电容器应放置接近IC的权力和地面别针。然而,这却很少或没有对EMC问题。
EMC问题需要一个分布式电容策略被使用。也就是说,电容器应分布在整个董事会。这是不符合功能要求,由于电容器附近一个集成电路很容易用于两个目的。
它也表明,电容器的实际价值并不重要。建议电容的最大价值在选定的表面安装包的大小。
它已经表明,单个值的电容比多个值。多个值不帮助在高频率(因为通过的电感,等等),并可以减少解耦性能显著较低频率。解耦性能下降是由于不可避免的交叉组件之间的共鸣。
最后,结果表明,有损或高ESR的电容器可以提高在高频率的解耦性能。这些损耗电容应该与普通电容器结合使用。
希望这个系统的解耦设计方法策略将帮助工程师了解相关的权衡各种选择。现在进一步希望工程师能更好地折扣的神话和误解无处不在。
脚注
[1]S21的测量输出电压比输入电压。
[2]本例中的噪声是由于集成电路中的开关,以及当前电源/地平面结构支持突然切换,或从一个关键网络层通过通过过渡。
[3]如果S21等于1,或零分贝,这将表明,所有的源电压出现在远程观测点。
[4]从EMC的角度来看,降低S21结果是一个“更好”的结果。
[5]表面山风格电容器在0805包大小是本研究中使用。