デカップリングコンデンサ EMC選定
EMC電源デカップリングのためのコンデンサインピーダンスと自己共振周波数を計算します。
公式
仕組み
デカップリングコンデンサのEMCカリキュレータは、CISPR 32準拠、FPGA PDN設計、およびスイッチングレギュレータのノイズ低減に不可欠な伝導エミッション抑制の最適な値と配置を決定します。EMCのエンジニアはこれを利用して、エミッションを悪化させる可能性のある共振を回避しながら、特定の周波数で20〜40dBのノイズ減衰を実現しています。
ヘンリー・オットの「EMCエンジニアリング」と村田製作所のアプリケーションノートによると、コンデンサのインピーダンスは自己共振周波数（SRF）よりZ = sqrt（（1/（2 x pi x f x C））^2 + ESR^2）、SRFよりZ = 2 x pi x f x ESLです。0.7 nH ESL (0402 パッケージ) を搭載した 100 nF MLCC は f_SRF = 1/ (2 x pi x sqrt (0.7e-9 x 100e-9)) = 19 MHz で共振します。19 MHz を超えると、コンデンサは誘導性になり、デカップリング効果が失われます。
IPC-2152とスミスの「高速デジタル・システム設計」によると、複数のコンデンサ値を並列に接続すると、重複する低インピーダンス帯域が生成されます。10uFはDC-1 MHzをカバーし、100nFは1〜30MHzをカバーし、10nFは30〜100MHzをカバーし、1nFは100〜300MHzをカバーします。各値は、インピーダンスがESR（MLCCの場合は通常10〜50mオーム）に等しいSRF付近の周波数を処理します。
Johnson/Grahamによると、配置は非常に重要です。コンデンサとIC電源ピンの間のトレースがmmになるごとに約1nHのインダクタンスが増加し、有効なSRFが下方にシフトし、高周波デカップリングが低下します。ICから10mm離れたコンデンサには10 nHのESLが付加されるため、5MHzを超えると直接接続した場合と比較して効率が20dB低下します。
計算例
問題:200 MHz FPGA のデカップリングを設計すると、180 MHz で CISPR 32 の制限値を 12 dB 上回る伝導エミッションが示されます。現在の PDN には 10 uF のバルク・コンデンサしかありません。
オットあたりのソリューション: 1.問題の周波数:180 メガヘルツ — 10 uF (約 500 kHz) および 100 nF (約 19 メガヘルツ) の SRF を上回る 2.必要な減衰量:180 メガヘルツで 12 dB + 6 dB マージン = 18 dB 3.180 MHz 用コンデンサ:180 MHz 付近の SRF が必要です。C = 1/ (4 x pi^2 x f^2 x L) = 1/ (4 x pi^2 x (180e6) ^2 x 0.7e-9) = 1.1 nF 4.1 nF 0402 MLCC (SRF 約 190 メガヘルツ、ESR 約 30 ミリオーム) を選択します。 5.直流時のインピーダンス:A = ESR = 30 ミリオーム 6.デカップリング効果:PDN インピーダンスが 180 MHz で 3 オームだった場合、コンデンサを追加すると 30 ミリオームに減少します。— 改善 = 20 x log10 (3/0.03) = 40 dB 7.4 個の 1 nF コンデンサを並列に使用してください。Z = 30/4 = 7.5 ミリオームです。
配置:同じ層の FPGA 電源ピンから 2 mm 以内にある 1 nF コンデンサ (デカップリングパスにビアなし)。BGA の四辺すべてに追加します。
実践的なヒント
- ✓FPGA デカップリングには「1-2-4 ルール」を使用してください。インテル/ザイリンクスによると、レールあたり 1 x 10 uF バルク、電源ピンクラスタあたり 2 x 100 nF、ダイエリア全体に分散された 4 x 10 nF です。100 kHz から 200 MHz までフラットなインピーダンスを提供します。
- ✓コンデンサをIC電源ピンと同じ層に配置します。Smithによると、デカップリング経路のビアは1〜2nHのインダクタンスを追加します。ビア・イン・パッドを備えたBGAの下の裏側コンデンサは、インダクタンスの増加がほぼゼロになります。
- ✓VNAでPDNインピーダンスを測定して共振を特定します。Sandlerによると、シミュレーションの精度は+/ -30％です。実際の測定では、特定の周波数でインピーダンスのピークを引き起こすプレーンとコンデンサの間の反共振が明らかになっています。
よくある間違い
- ✗高周波ノイズには大きなコンデンサ (10 uF) のみを使用します。Ott あたり 10 uF の SRF は、約 500 kHz です。1 MHz を超えると、コンデンサは誘導性になり、インピーダンスが増加します。100 MHz を超える周波数での放射には、SRF の大きい 1 ～ 10 nF のコンデンサが必要です。
- ✗パッケージのインダクタンスを無視すると、村田製作所によると、0805パッケージのESLは1.2nHであるのに対し、0402のESLは0.7nHです。パッケージが大きいほどSRFは低くなります。0805では100nFが14MHzで共振するのに対し、0402では19MHzで共振します。周波数効率を最大限に高めるには、最小のパッケージを使用してください。
- ✗コンデンサをICから遠くに配置すると、Johnson/Grahamによると、10mmのトレースで10 nHが追加されます。これは、0402から大型のスルーホールコンデンサに変更するのと同じです。インダクタンスを最小限に抑えるには、ビアをプレーンに接続して電源とグランドをコンデンサの真下に配線するか、ビアインパッドを使用してください。
よくある質問
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