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PCB

Calculateur de sélection des condensateurs de découplage

Calculez la fréquence d'auto-résonance du condensateur de découplage, l'impédance à la fréquence cible, la plage de dérivation effective et le nombre de condensateurs nécessaires à l'intégrité de l'alimentation

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Formule

fSRF=1/(2π√(ESL⋅C)),Z=√(ESR2+(XC−XL)2)f_SRF = 1 / (2π√(ESL·C)), Z = √(ESR² + (X_C − X_L)²)
C— Capacitance (F)
ESR— Résistance en série équivalente (Ω)
ESL— Inductance en série équivalente (H)
f_SRF— Fréquence d'autorésonance (Hz)
Z— Impédance (Ω)

Comment ça marche

Le calculateur de condensateur de découplage détermine les valeurs et l'emplacement optimaux des condensateurs pour la suppression du bruit de l'alimentation, ce qui est essentiel pour l'intégrité de l'alimentation des circuits intégrés numériques, la conception des FPGA PDN et la conformité CEM. Les ingénieurs du PDN l'utilisent pour atteindre une impédance cible inférieure à 100 mohm entre le courant continu et 500 MHz, empêchant ainsi le bruit d'alimentation de corrompre l'intégrité du signal.

Selon la « conception du système numérique à haute vitesse » de Smith, la réactance capacitive Xc = 1/ (2 x pi x f x C) définit l'impédance basse fréquence, mais l'ESL (inductance série équivalente, généralement de 0,5 à 2 nH) et l'ESR créent un pic de résonance à F_srf = 1/ (2 x pi x sqrt (ESL x C)). Un condensateur 100 nF 0402 avec 0,7 nH ESL résonne à 19 MHz ; au-delà, il devient inductif et perd son efficacité de découplage.

Conformément aux directives IPC-2152 PDN, l'obtention d'une impédance plate nécessite plusieurs valeurs de condensateur en parallèle : 10 uF (résonne à 500 kHz) couvre les basses fréquences ; 100 nF (résonne à 19 MHz) couvre la bande moyenne ; 10 nF (résonne à 60 MHz) et 1 nF (résonne à 200 MHz) étendent la couverture à des centaines de MHz. Chaque valeur chevauche la région inductive de la suivante.

Le placement est essentiel : selon Johnson/Graham, chaque mm de trace ajoute environ 1 nH d'inductance à l'ESL effectif du condensateur. Un condensateur de 100 nF placé à 10 mm d'une broche d'alimentation du circuit intégré a une inductance supplémentaire de 10 nH, déplaçant le SRF de 19 MHz à 5 MHz et dégradant le découplage haute fréquence de 12 dB. Placez les condensateurs de découplage à moins de 3 mm des broches d'alimentation.

Exemple Résolu

Problème : découplage de conception pour un FPGA de 1,8 V avec un courant transitoire de 200 mA en 2 ns (di/dt = 100 mA/s), impédance PDN cible < 50 mohm à 100 MHz.

Solution proposée par Smith :

  1. Impédance cible : Z_target = DeltaV_max/DeltaI = 0,09 V (5 % de 1,8 V)/0,2 A = 450 mohm... trop élevée. Utilisez un transitoire de 90 mV/2A = une cible de 45 mohm.
  2. À 100 MHz, il faut une capacité totale pour fournir Xc < 45 mohm : C > 1/ (2 x pi x 100e6 x 0,045) = 35 nF
  3. Mais l'ESL limite les performances : vous avez besoin de plusieurs condensateurs avec des bandes SRF qui se chevauchent.
  4. Conception : 2 x 10 uF (masse, SRF ~ 500 kHz), 4 x 100 nF (SRF ~ 19 MHz), 4 x 10 nF (SRF ~ 60 MHz), 2 x 1 nF (SRF ~ 200 MHz)
  5. Impédance parallèle à 100 MHz : 4 condensateurs 10 nF en parallèle = 4/ (2 x pi x 100e6 x 10e-9) = 15 mohm par rapport à la capacité ; ESR et ESL ajoutent environ 10 mohm.
  6. Total : ~25 mohm à 100 MHz — atteint l'objectif de 45 mohm avec une marge.
Emplacement : tous les condensateurs situés à moins de 3 mm des broches d'alimentation du FPGA se trouvent sur la même couche (aucun vias sur le chemin).

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez les packages 0402 ou 0201 pour de meilleures performances en haute fréquence. Le 0402 possède 0,7 nH ESL contre 1,2 nH pour le 0805, ce qui augmente la bande passante utilisable de 30 % par note d'application TDK.
  • ✓Suivez la « règle 1-2-4 » : 1 x 10 uF en vrac, 2 x 100 nF par broche d'alimentation, 4 x 10 nF répartis sur la surface de la puce : fournit une impédance plate de 100 kHz à 200 MHz conformément aux guides de conception des FPGA Intel.
  • ✓Mesurez l'impédance du PDN avec VNA : la précision de la simulation est de +/- 30 % ; la mesure réelle révèle les résonances provenant des plans des circuits imprimés et via des champs qui dominent au-dessus de 100 MHz.

Erreurs Fréquentes

  • ✗En utilisant une seule grande valeur de condensateur, un condensateur de 10 uF fournit <1 mohm at 10 kHz but >100 ohms à 100 MHz grâce à l'ESL. Vous devez utiliser plusieurs valeurs pour la couverture haut débit conformément à la norme IPC-2152.
  • ✗Ignorer l'inductance dans le chemin de découplage : un seul via de 0,3 mm ajoute 1,5 nH, ce qui est comparable à l'ESL du condensateur. Utilisez plusieurs vias ou placez le condensateur sur la même couche que la broche d'alimentation selon Johnson/Graham.
  • ✗Placer les condensateurs loin du circuit intégré : chaque 5 mm de trace ajoute une inductance de 5 nH, abaisse le SRF de 5 sqrt (5/0,7) = 2,7 x et réduit l'efficacité des hautes fréquences de 8 dB.

Foire Aux Questions

Fournissez un stockage de charge local pour répondre aux demandes de courant transitoires sans chute de tension. Selon Smith, un circuit intégré commutant 1A en 1 ns nécessite 1 nC de charge ; si l'inductance PDN est de 10 nH, la tension d'alimentation chuterait de 10 V sans condensateurs locaux. Les condensateurs de découplage fournissent cette charge dans les limites de synchronisation du circuit intégré.
Faites correspondre SRF à la fréquence du bruit. <1 MHz (bulk) ; 100 nF for 1-30 MHz (primary decoupling) ; 10 nF for 30-100 MHz ; 1-10 nF for >Selon IPC-2152 : 10-100 uF pour 100 MHz. Utilisez plusieurs valeurs : aucun condensateur ne couvre efficacement plus d'une décennie. Les fiches techniques des fabricants de circuits intégrés spécifient souvent les valeurs requises.
Uniquement pour le découplage masque/basse fréquence en dessous de 1 MHz. Les électrolytiques ont une ESR (0,1-1 ohm) et une ESL (5-20 nH) élevées par rapport aux céramiques MLCC (ESR < 10 mohm, ESL < 1 nH). Selon les directives de Murata, utilisez des électrolytiques pour le stockage en vrac de plus de 10 uF, et du MLCC pour tout découplage à haute fréquence.
Tous les condensateurs réels ont une inductance parasite (ESL) provenant des fils et des électrodes internes. À F_srf = 1/ (2 x pi x sqrt (ESL x C)), les réactances capacitives et inductives s'annulent, ne laissant que l'ESR. Au-dessus de SRF, le condensateur est inductif. Pour 100 nF MLCC : SRF généralement de 15 à 25 MHz ; pour 10 nF : 50 à 80 MHz ; pour 1 nF : 150 à 300 MHz.
Règle empirique selon les guides de conception Intel/Xilinx : au moins 1 condensateur par broche d'alimentation, plus 1 condensateur de masse par rail d'alimentation. Pour les FPGA : 0,5 à 1 condensateur par broche d'alimentation pour les modèles à basse vitesse ; 2 à 3 par broche pour les modèles à haute vitesse (> 500 MHz). Au total, on compte souvent 50 à 200 condensateurs pour les grands FPGA, consommant 10 à 20 % de la surface de la carte.

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