高速 PCB 電源のインピーダンスを分析して禁止する方法

PCB 設計の複雑さの増大に伴い、安定した信頼性の高い電源は、高速 PCB 設計に関する研究の新しい傾向になっています。特に、スイッチング部品の数が絶えず増加し、Vcore が減少し続ける場合、電力の変動はシステムに致命的な影響を与える傾向があります。したがって、電源システムの安定性を維持することは、高速 PCB 設計の重要なポイントとなっています。

しかし、電源系インピーダンスが存在する結果、電源系インピーダンスに負荷過渡電流による比較的大きな電圧降下が発生し、システムが不安定になります。各コンポーネントに最初から最後まで正常な電力が供給されるようにするためには、電力システムのインピーダンスを制御する必要があります。つまり、インピーダンスを可能な限り下げる必要があります。

デカップリング コンデンサの適用は、電源システムのインピーダンスを禁止する効果的な方法です。この記事では、デカップリング コンデンサによる電力システムのインピーダンス禁止の理由を分析し、デカップリング コンデンサの選択に関する方法を示します。さらに、電力システムのインピーダンス禁止を最大化するために、高調波解析に基づいてデカップリング コンデンサの位置を決定する方法を主に研究しています。

インピーダンス分析

電源とグランドは、式 C=kAr/d に基づいて容量が計算される大きなプレート コンデンサと見なすことができます

この式では、k は 0.2249 インチです。 A は、2 つの平面間の平行な領域を指します。 r は媒体の誘電率を指し、一般的に使用される FR4 基板材料では 4.5 です。 d は、電源とグランドの間の距離を表します。例として、サイズが 2x1 インチの PCB を取り上げます。 20Mils の並列領域を持つ電源とグランドによって形成されるコンデンサの静電容量は、約 0.2249x4.5x2x1/0.02=101.2pF です。この式に基づいて、電源システムのデカップリング容量が非常に小さいため、対応するインピーダンスが非常に大きくなり、一般に数オームになることがわかります。したがって、電源システムの自己減結合によってインピーダンスを下げるだけでは不十分です。

2.5D レベルのシミュレーション ツール SIWAVE を適用して、アクティブ デバイスのインピーダンス シミュレーションを実装します。電源とグランドのネットワーク U41 は、0 から 1 GHz の掃引範囲で XYZ パラメータを計算するために選択されます。これにより、以下の図 1 のインピーダンス曲線が得られます。

図では、周波数の変化に伴いインピーダンス曲線が変化し、670MHz、730MHz、870MHzの値の変曲点でインピーダンスが大きく変化することがわかります。

禁止方法

• デカップリング コンデンサによるインピーダンス禁止の理論的分析

電源自体からのデカップリングによってインピーダンスを下げることは不可能であるため、インピーダンスを禁止するためにデカップリング コンデンサを適用する必要があります。

図 2 は、複合電力システムの図です。図 3 は、この電力システムを同等の電力モデルで示しています。

この回路を表す式を適用できます:V=ZxL.負荷過渡電流がポイント A とポイント B の間で大きな変化を維持する場合でも、電圧変化は 2 つのポイントの間で非常に小さくなければならないという状況を達成する必要があります。式に基づくと、インピーダンス (Z) の値が十分に小さくないと、この目的は達成できません。図 3 では、デカップリング コンデンサの適用がこの目的の実現に役立つため、デカップリング コンデンサは等価性の観点から電源システムのインピーダンスを下げることができることを示すことができます。さらに、回路原理の観点からも、同じ結論を維持することができます。コンデンサは、交流信号に対する低インピーダンスを特長としています。その結果、コンデンサの関与は実際に電力系統の交流インピーダンスを確実に低下させます。

• デカップリング コンデンサの静電容量の選択

理想的なコンデンサは決して存在せず、常に寄生パラメータを保持します。コンデンサの高周波性能への最大の影響は、ESR (実効直列インダクタンス) と ESL (実効直列抵抗) に由来します。図 4 は、寄生パラメータを考慮した同等のモデルを示しています。

コンデンサは、次の式の直列高調波周波数を持つ直列高調波回路と見なすこともできます：f =1 / 2PIFC。低周波環境にある場合、静電容量を表示します。ただし、周波数が上昇すると、常にそのインダクタンスを表示します。別の言い方をすれば、そのインピーダンスは最初に上昇し、周波数の上昇とともに縮小し、等価インピーダンスの最小値は直列高調波周波数 f₀ で発生します .このとき、容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスは正しく相殺され、コンデンサの最小の等価抵抗でインピーダンスと ESR の値が等価になります。コンデンサ周波数の曲線を図 5 に示します。

したがって、コンデンサを選択する過程で、選択されたコンデンサの高調波周波数ポイントは、デカップリングの影響を受ける周波数ポイントに隣接します。その容量性能は、可能な限り自己高調波周波数の前に完全に適用して使用する必要があります。

静電容量が異なるさまざまなコンデンサは、さまざまな自己高調波周波数と互換性があり、下の表に表示されています。

静電容量	ディップ (MHz)	STM (MHz)
1.0μF	2.5	5
0.1μF	8	16
0.01μF	25	50
1000pF	80	160
100pF	250	500
10pF	800	1.6(GHz)

一般に、デカップリング コンデンサの高調波特性を適用する必要があり、コンデンサの並列組み合わせによって最小の入力インピーダンスが得られます。同じタイプのコンデンサの並列周波数応答を下の図 6 に示します。

この方法に基づいて、等価 ESR と ESL を大幅に削減できます。同じ静電容量の複数のコンデンサ (n) の場合、結合後の等価静電容量 C は nC になり、等価インダクタンス L は L/n になり、等価 ESR は R/n になります。ただし、高調波周波数は変わりません。自己高調波周波数は異なる種類のコンデンサで同じであるため、並列コンデンサが多いほど、容量領域と誘導領域のインピーダンスが小さくなり、自己高調波周波数ポイントは変化しないことがわかります。

結論として、デカップリング コンデンサを選択するプロセスでは、デカップリング周波数は、対応するコンデンサをピックアップできるように、デカップリングの自己高調波周波数ポイントと見なす必要があります。さらに、同じ容量の複数のコンデンサを並列に適用することで、デカップリング容量を改善し、インピーダンスを下げることができます。

• デカップリング コンデンサの位置の決定

デカップリング コンデンサを選択したら、その位置を考慮する必要があります。電源プレーンとグランド プレーンは、複数のインダクタとコンデンサ、または共振空洞で構成されるネットワークと見なすことができます。特定の周波数で、インダクタとコンデンサに共振が発生し、電力システムのインピーダンスに影響を与えます。周波数の向上に伴い、インピーダンスは常に変化し、特に並列共振が顕著に続くと、インピーダンスも著しく上昇します。したがって、PCB の高調波解析と合わせて、デカップリング コンデンサの特定の位置を確保する必要があります。

SIWAVEシミュレーションツールの共振解析機能を応用し、抵抗、静電容量、インダクタンス等の等価パラメータを導き出します。さらに、図 7 に示すように、得られた異なる周波数ポイントでの共振モードを使用して、PCB の共振解析を実装する必要があります。

図 1 と組み合わせると、比較的大きなインピーダンスを持ついくつかの周波数ポイントが、共振が発生する周波数ポイントと一致することがわかります。したがって、共振解析の結果、深刻な共振がある領域では、インピーダンスを下げるために適切な容量のデカップリング コンデンサを配置する必要があると結論付けることができます。

673MHz の周波数ポイントを例にとると、図 8 に示すように、共振が失われ、対応するインピーダンスが禁止されるように、デカップリング コンデンサを並列に配置できます。

PCB 共振解析に基づいて、インピーダンスを禁止するために適切なサイズのコンデンサを並列に配置することに基づいて、共振が発生する対応する位置を決定できます。

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