ลักษณะของตัวเก็บประจุบายพาส

ผมอ่านผ่านการโพสต์ไม่กี่รวมทั้งหมวก Decouplingเช่นเดียวกับโน้ต app นี้Xilinx กระจายกระแสไฟและเครือข่าย

ฉันมีคำถามเกี่ยวกับค่าตัวเก็บประจุภายในระบบจำหน่ายไฟฟ้า น่าเสียดายที่ฉันเชื่อว่าฉันต้องให้พื้นหลังเล็กน้อยก่อนที่ฉันจะสามารถถามคำถามนี้ได้

ตามที่ระบุไว้ในโพสต์ทั้งในฟอรั่มและแอพหมายเหตุเรขาคณิตเชิงกายภาพของตัวเก็บประจุสั่งการเหนี่ยวนำด้วยตนเอง ในกรณีที่ decoupling ตัวเก็บประจุสามารถถูกจำลองเป็นแหล่งจ่ายไฟขนาดเล็กที่มีความต้านทานภายในตัวเหนี่ยวนำและความจุ ในโดเมนความถี่มุมมองของความต้านทานภายในของตัวเก็บประจุคือ "รางน้ำ" ที่จุดเริ่มต้น (ศูนย์) ของรางถูกกำหนดโดยค่าความจุและจุดสิ้นสุด (เสา) มาจากกาฝาก - เหนี่ยวนำ จุดต่ำสุดของรางถูกกำหนดโดยความต้านทานของกาฝากหรือค่าต่ำสุดของความถี่เรโซแนนซ์ของการรวม LC ของค่าตัวเหนี่ยวนำ / ตัวเก็บประจุ / กาฝาก (ใดก็ตามที่สร้างความต้านทานสูงกว่า)

ต่อไปนี้เป็นภาพที่แสดงให้เห็นถึงลักษณะของตัวเก็บประจุ

นี่คือสมการสำหรับความถี่เรโซแนนซ์

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

ด้วยเหตุผลนี้เราสามารถเลือกขนาดตัวเก็บประจุที่ใหญ่ที่สุดในขนาดบรรจุภัณฑ์ที่กำหนดเช่น 0402 และคุณสมบัติของเสาจะไม่เปลี่ยนแปลงและมีเพียงศูนย์จะถูกย้ายไปที่ความถี่ต่ำกว่า (ในภาพความลาดชันลงจะเป็น ย้ายไปทางซ้ายสำหรับค่าตัวเก็บประจุขนาดใหญ่) ทำให้สามารถข้ามแบนด์วิดท์ความถี่ที่กว้างขึ้นได้ เสาเรโซแนนท์ที่กำหนดส่วนบนของตัวเก็บประจุควรรวมตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูงกว่าที่มีขนาดบรรจุภัณฑ์เดียวกัน

ต่อมาในบันทึกของแอพจะมีส่วนที่เรียกว่า "ตำแหน่งตัวเก็บประจุ" ซึ่งตามที่อธิบายไว้ในการตอบสนองของแลงประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุไม่เพียง แต่เกี่ยวข้องกับการเหนี่ยวนำของฝาปิด แต่ยังเกี่ยวข้องกับการวางฝา . ในแง่ภาษาพูดปัญหาคือ: เมื่อ IC เริ่มดึงพลังงานเพิ่มเติมแรงดันไฟฟ้าเริ่มลดลงเวลาที่ใช้สำหรับการลดลงนั้นจะเห็นได้โดยตัวเก็บประจุ decoupling จะถูกกำหนดโดยความเร็วการแพร่กระจายของวัสดุที่สัญญาณ (แรงดันไฟฟ้า ปล่อย) ต้องเดินทางโดยทั่วไปใกล้กว่าจะดีกว่า ตัวอย่างจะทำในบันทึกย่อของแอปซึ่งมีดังต่อไปนี้

0.001 ยูเอฟ X7R ตัวเก็บประจุชิปเซรามิก, แพคเกจ 0402 Lis = 1.6 nH (การเหนี่ยวนำทางทฤษฎีของทั้งตัวเหนี่ยวนำกาฝากตัวเองและตัวเหนี่ยวนำคณะกรรมการ)

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

ช่วงเวลาของความถี่นี้คือ Tris

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

เพื่อให้ตัวเก็บประจุมีประสิทธิภาพจะต้องสามารถตอบสนองได้เร็วกว่าแรงดันไฟฟ้าที่สามารถลดลงบนขา ถ้าแรงดันไฟฟ้าลดลงจะเกิดขึ้นเร็วกว่า 7.95ns กว่าจะมีช่วงเวลาระหว่างการจุ่มบนพินและความสามารถของตัวเก็บประจุเพื่อตอบสนองต่อการจุ่มแสดงในแรงดันไฟฟ้าแหลมสามารถเป็นไปได้ที่จะลดแรงดันลงไปจนถึงจุดสีน้ำตาล หรือรีเซ็ต เพื่อให้ตัวเก็บประจุยังคงมีประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าจะต้องเกิดขึ้นในอัตราที่ช้าลงจากนั้นบางส่วนของระยะเวลาพ้อง (ทริส) ในการหาปริมาณของคำสั่งนี้เวลาตอบสนองที่มีประสิทธิภาพที่ยอมรับได้ของตัวเก็บประจุคือ 1 ใน 40 ของความถี่เรโซแนนซ์ดังนั้นความถี่ที่มีประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุนี้เป็นจริง

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

หรือตัวเก็บประจุจะสามารถครอบคลุมการจุ่มที่เกิดขึ้นในช่วง. 318uS

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

น่าเสียดายที่ตัวเก็บประจุไม่สามารถวางบนขาได้ดังนั้นจึงมีความล่าช้าอีกครั้งจากวัสดุที่ PCB ประกอบด้วย ความล่าช้านี้สามารถสร้างแบบจำลองเป็นความเร็วการแพร่กระจายของวัสดุ ในแอปโปรดทราบความเร็วการแพร่กระจายของอิเล็กทริก FR4 มาตรฐานคือ 166ps ต่อนิ้ว

การใช้ระยะเวลาเรโซแนนซ์ที่มีประสิทธิภาพ (Tris) จากด้านบนและความเร็วการแพร่กระจายของวัสดุเราสามารถหาระยะทางที่ตัวเก็บประจุยังคงมีประสิทธิภาพที่ Effective Fris

$$Distance(x) = \frac{time(t)}{speed(\frac{t}{x})}$$ $$Distance(x) = \frac{.318\times10^-6}{1.66\times10^-12} = 1.20in$$

ในที่สุดฉันก็สามารถถามคำถามของฉัน!

เนื่องจากขนาดของบรรจุภัณฑ์เป็นส่วนหนึ่งของฝาครอบที่ช่วยลดเสาหรือขอบด้านบนของอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่ายไฟแบบจำลองดังนั้นมันจึงไม่สำคัญว่าฉันจะต้องใช้ 0.001uF cap 0402 แพ็คเกจหรือตัวเก็บประจุ 0.47uF แพคเกจ 0402 วิธีที่ดีกว่าในการกำหนด Fris ของฝาปิดคือการค้นหาความถี่ที่ความต้านทานภายในหรือค่าความจุที่มีประสิทธิภาพตัดกันกับขั้ว ถูกต้องหรือไม่ หรือมีปัจจัยอื่น ๆ ที่ฉันไม่ได้นำมาพิจารณา?

หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ที่ฉันชอบคือ " การออกแบบดิจิทัลความเร็วสูง: คู่มือของ Black Magic " ฉันขอแนะนำหนังสือเล่มนี้ ดูเหมือนว่าจะมีราคาแพง แต่มันก็คุ้มค่าเงินโดยสิ้นเชิง หนังสือเล่มนี้มี 12 หน้าเกี่ยวกับการเลือกบายพาส! ผู้เขียนฮาวเวิร์ดจอห์นสันยังสอนบางคลาสด้วยตัวแยกแคปเป็นหนึ่งในหัวข้อ

สิ่งสำคัญบางอย่างที่ฉันได้เรียนรู้ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาและได้รับการสนับสนุนจากหนังสือเล่มนี้ก็คือ "การปฏิบัติตามมาตรฐาน" ที่มีตัวแยกแคปแยกมักจะผิดเสมอและมีศิลปะมากกว่าวิทยาศาสตร์เมื่อต้องเลือกและกำหนดเส้นทาง .

มีการคำนวณมากมายที่คุณสามารถทำได้เกี่ยวกับ decoupling caps แต่ส่วนมากนั้นไม่ถูกต้องเนื่องจากหลาย ๆ อย่าง ตัวแคปนั้นแตกต่างกันไปอย่างดุเดือด โครงร่าง PCB เปลี่ยนแปลงสิ่งต่าง ๆ อย่างมาก (และคุณต้องคิดใน 3-D สำหรับอันนี้) อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนพฤติกรรมของแคป ฝาเดียวจะทำงานเป็นทั้ง "ฝาปิดแหล่งจ่ายไฟที่ราบเรียบ" และ "สัญญาณ AC ย้อนกลับทางอ้อม" เป็นต้น

สิ่งที่จอห์นสันทำคือหลังจากการทดลองมากมายคิดว่าการเหนี่ยวนำเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดและทำให้การพิจารณาอื่น ๆ เกือบหมด ดังนั้นเป้าหมายในการเลือกและวางแคป decoupling คือการใช้แคปตัวเล็ก ๆ จำนวนมากพร้อมด้วยค่าที่สามารถนำไปใช้ได้จริงสูงสุด

อุดมคติคือการใช้จำนวนแคป 0.1 ยูเอฟจำนวนมากในแพ็คเกจ 0402 วางไว้ใต้ชิปที่ด้านหลังของ PCB หมวกถูกกำหนดเส้นทางตามภาพด้านล่าง และจุดแวะตรงไปที่ระนาบพลังงาน / กราวด์ (ไม่ใช่กับพินกำลังของชิปเนื่องจากปกติจะเพิ่มการเหนี่ยวนำ) หากคุณวางฝาครอบไว้ใต้ชิปแล้วบางครั้งคุณสามารถแชร์ผ่านทางเดียวกันโดยไม่มีปัญหาใด ๆ

เหตุผลที่เลือกหมวก 0.1 ยูเอฟเป็นเพราะเป็นประโยชน์สูงสุดในแพ็คเกจ 0402 เหตุผลที่เลือก 0402 นั้นเป็นเพราะขนาดที่เล็กที่สุดและคุณต้องการที่จะใช้จำนวนมากเพื่อลด ESL / ESR ที่มีประสิทธิภาพ แน่นอนว่าการเดิมพันทั้งหมดจะปิดหากคุณมี PCB 2 เลเยอร์ที่ไม่มีพลังงานและระนาบกราวด์

ฉันไม่ต้องการลดการใช้คณิตศาสตร์ซึ่งเป็นเรื่องสำคัญ แต่ความซับซ้อนของ decoupling ของแหล่งจ่ายไฟและเส้นทางกลับ AC มักจะทำให้คณิตศาสตร์ไม่สามารถใช้งานได้จริงในโลกแห่งความเป็นจริง ในโลกแห่งความจริง "กฎง่ายๆ" นั้นช่วยได้จริง จากกฎหลายข้อสำหรับหัวข้อนี้มีเพียง Howard Johnson ที่พิสูจน์ว่ากฎอื่นไม่ทำงานและให้กฎที่ดีกว่านี้ การทดลองและประสบการณ์ของฉันแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้เป็นจริง