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En este artículo, nos centraremos en las diferentes configuraciones via que se pueden utilizar para conectar un condensador de desacoplamiento a la alimentación de la PCB y a los planos de tierra.

La inductancia del bucle que conecta un condensador de desacoplamiento a un CI lógico es de suma importancia y debe minimizarse. En este artículo, nos centraremos en las diferentes configuraciones via que se pueden utilizar para conectar un condensador de desacoplamiento a la alimentación de la PCB y a los planos de tierra. Veremos que hacer pequeños cambios puede reducir significativamente la inductancia del bucle de desacoplamiento.

¿Por qué necesitamos un condensador de desacoplamiento?

Un IC digital con reloj generalmente necesita grandes corrientes de suministro de energía transitorias. Por ejemplo, un microprocesador grande puede extraer corrientes de hasta 10 A en un período de tiempo muy corto. A medida que disminuye el tiempo de subida / bajada de las salidas de IC, necesitamos proporcionar esta energía transitoria a una velocidad mayor. Los conductores de potencia y tierra de una PCB exhiben cierta inductancia. Si la gran corriente transitoria del IC digital pasa por la inductancia de los conductores de potencia y tierra, se creará un voltaje a través de la inductancia. Debido a las grandes caídas de voltaje transitorias a través de los conductores de alimentación y de tierra, no podremos suministrar un voltaje constante a través de las almohadillas de alimentación y tierra del CI.

La solución al problema anterior es proporcionar una fuente de carga que pueda proporcionar las corrientes transitorias. Esto generalmente se logra colocando condensadores de desacoplamiento muy cerca de cada CI lógico. Siempre debemos tener en cuenta que el enrutamiento de potencia del circuito solo repone la carga en el condensador de desacoplamiento y es el condensador de desacoplamiento el que debe suministrar todas las corrientes transitorias de alta frecuencia. Un condensador de desacoplamiento proporciona las corrientes transitorias en un corto intervalo de tiempo asociado con el tiempo de subida / bajada de las salidas de CI, y la fuente de alimentación tiene al menos medio ciclo de reloj para recargar los condensadores de desacoplamiento. Mantener la energía de alta frecuencia fuera de las trazas de distribución de energía nos permite tolerar más fácilmente la inductancia inevitable de la estructura de distribución de energía.

Inductancia del bucle de desacoplamiento

Como se discutió anteriormente, utilizamos condensadores de desacoplamiento para evitar el suministro de corrientes de alta frecuencia a través de las trazas de distribución de energía, que pueden exhibir una alta inductancia. Es por eso que la inductancia de la ruta que conecta el condensador de desacoplamiento al CI también es importante. Si la inductancia del bucle de desacoplamiento no es lo suficientemente pequeña, el IC lógico intentará obtener parte de su energía de alta frecuencia a través de la estructura de distribución de potencia. Por lo tanto, debemos examinar cuidadosamente la inductancia del bucle de desacoplamiento y minimizarla de todas las formas posibles. Consulte este artículo para conocer una técnica importante para reducir la inductancia del bucle de desacoplamiento. En este artículo, nos centraremos en las diferentes configuraciones via que se pueden utilizar para conectar un condensador de desacoplamiento a la alimentación de la PCB y a los planos de tierra.

Vias que llevan corrientes con direcciones opuestas

El método convencional para montar un condensador de desacoplamiento es colocar las vías al lado de las almohadillas del condensador como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Imagen utilizada por cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Para este caso, un valor típico para la inductancia total desde las almohadillas de montaje del condensador hasta el par del plano de potencia a tierra es de aproximadamente 1.1 nH. Para reducir la inductancia total de estas vías, podemos acercarlas. Acercar las vías aumentará la inductancia mutua entre ellas. Como las corrientes de estas dos vías fluyen en direcciones opuestas, el aumento de la inductancia mutua reducirá la inductancia neta de cada vía. Para comprender mejor esto, recuerde que una corriente que atraviesa un inductor produce líneas de campo magnético que rodean al conductor. La dirección de estas líneas de campo magnético se puede encontrar mediante la regla de la derecha que se muestra en la Figura 2 (en este ejemplo, la dirección actual es hacia arriba).

Figura 2. Imagen utilizada: cortesía de Signal and Power Integrity-Simplified.

Cuando la corriente atraviesa una vía, produce líneas de campo magnético que la rodean. Algunas de las líneas de campo magnético de una vía también rodearán a la otra vía. Dado que las dos vías producen campos magnéticos en la dirección opuesta (ver Figura 3), el acoplamiento magnético entre ellas en realidad reducirá el número total de líneas de campo que rodean cada vía. El número de líneas netas de campo magnético alrededor de un conductor determina su inductancia. Por lo tanto, cuando tenemos vías que transportan corrientes con direcciones opuestas, aumentar el acoplamiento magnético entre ellas reducirá la inductancia efectiva que cada una de ellas exhibe.

figura 3

Por lo tanto, una técnica para reducir la inductancia del bucle de desacoplamiento es acercar las vías como se muestra en la Figura 4. En este caso, la inductancia entre la almohadilla de montaje del capacitor y el par de plano de masa a tierra se reduce a 0.7 nH .

Figura 4. Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Vias llevando corrientes con la misma dirección

Para reducir aún más la inductancia del bucle de desacoplamiento, podemos usar múltiples vías en lugar de usar solo una vía para cada almohadilla de condensador. Dos posibles arreglos se muestran en la Figura 5.

Figura 5. Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Si no hubiera una inductancia mutua entre las vías conectadas a la misma almohadilla, podríamos concluir fácilmente que la inductancia equivalente de las vías paralelas será inversamente proporcional al número de vías. ¿Qué pasa si hay alguna inductancia mutua entre ellos?

Las corrientes a través de las vías conectadas al mismo pad están en la misma dirección. A diferencia del caso en la Figura 3, el acoplamiento magnético entre las vías paralelas de la Figura 5 aumentará el número total de líneas de campo que rodean cada vía. Por lo tanto, cuando tenemos vías que transportan corrientes en la misma dirección, aumentar el acoplamiento magnético entre ellas aumentará la inductancia efectiva que cada una de ellas exhibe. Consideremos la disposición con dos vías para cada pad (la figura de la izquierda arriba). Suponga que la autoinductancia de cada vía es L y la inductancia mutua entre las vías paralelas es M (Figura 6 a continuación). ¿Cuál sería el valor de la inductancia equivalente?

Figura 6

Considerando el hecho de que las líneas de campo magnético de las dos vías están en la misma dirección, se puede demostrar que la inductancia equivalente de las dos vías está dada por:

[L_{equivalent} = frac {L + M}{2}]

La inductancia mutua, M, no puede ser mayor que la autoinductancia L. Por lo tanto, en el peor de los casos, [L_{equivalent}] está cerca de L. Sin embargo, si colocamos las vías conectadas a la misma almohadilla lo suficientemente separadas entre sí, podemos reducir significativamente la inductancia mutua M y obtener una inductancia equivalente cerca de [frac{L}{2}].

Por lo general, se supone que si el espacio de centro a centro entre las vías es mayor que la longitud de una vía, la inductancia mutua se vuelve mucho menor que la autoinductancia. En este caso, la inductancia equivalente de las vías será casi inversamente proporcional al número de vías.

Otra ventaja de usar múltiples vías

Vimos que, con múltiples vías, podemos tener una inductancia equivalente inversamente proporcional al número de vías. Hay otro mecanismo que permite que las disposiciones de la Figura 5 tengan una inductancia más baja. Para comprender este segundo mecanismo, debemos considerar la distribución de corriente en un plano cuando la corriente se introduce o sale del plano a través de una vía. Como se muestra en la Figura 7, en la vecindad de las vías, la corriente está restringida para fluir dentro o fuera del plano a través de una vía. A medida que nos alejamos de las vías, la corriente puede extenderse.

Figura 7 Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Examinar la inductancia de un avión puede ser un problema complicado y está más allá del alcance de este artículo. Puede encontrar algunos detalles en el Capítulo 10 del libro Ingeniería de compatibilidad electromagnética. El punto importante es que lejos de las vías, la corriente puede extenderse y el avión exhibe una baja inductancia. Sin embargo, cerca de las vías, la corriente no puede extenderse y la inductancia de la ruta aumenta significativamente. Curiosamente, la inductancia total de la distribución de corriente que se muestra en la Figura 7 estará determinada principalmente por la gran inductancia en la vecindad de las vías. Las disposiciones de la Figura 5 usan varias vías para conectarse a los planos. Como resultado, la configuración de múltiples vías permite que la corriente se extienda en un área más amplia del plano en comparación con las configuraciones que utilizan una sola vía. Por lo tanto, las vías múltiples pueden reducir la inductancia del plano en la vecindad de las vías y, en consecuencia, reducir la inductancia del bucle de desacoplamiento.

Conclusión

Utilizamos condensadores de desacoplamiento para evitar el suministro de corrientes de alta frecuencia a través de trazas de distribución de energía, que pueden exhibir alta inductancia. Si la inductancia del bucle de desacoplamiento no es lo suficientemente pequeña, el IC lógico intentará obtener parte de su energía de alta frecuencia a través de la estructura de distribución de potencia. Por lo tanto, debemos minimizar la inductancia del bucle de desacoplamiento. En este artículo, discutimos las diferentes configuraciones de vía que se pueden usar para conectar eficientemente un condensador de desacoplamiento a la alimentación de PCB y a los planos de tierra. Vimos que deberíamos acercar las vías con corrientes de dirección opuesta y que con un espaciado apropiado, una configuración de múltiples vías puede conducir a una inductancia equivalente por vía inversa que es inversamente proporcional al número de vías. Otra ventaja de una configuración de múltiples vías es la reducción de la inductancia plana en la vecindad de las vías.