IC-Power-Pin-Verbindung für Störfestigkeit und Entkopplung

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In anderen Fragen und Antworten wurde viel darüber gesprochen, wie Entkopplungskondensatoren an einen IC angeschlossen werden können, was zu zwei völlig entgegengesetzten Ansätzen für das Problem führt:

  • (a) Platzieren Sie die Entkopplungskondensatoren so nahe wie möglich an den IC-Stromversorgungsstiften.
  • (b) Verbinden Sie die IC-Leistungsstifte so nah wie möglich an den Leistungsebenen und platzieren Sie dann die Entkopplungskondensatoren so nahe wie möglich, wobei Sie die Durchkontaktierungen beachten.

Abbildung aus dem vollständigen PCB-Design mit OrCad Capture und PCB Editor von Kraig Mitzner, die die Platzierung des Kondensators für einen der Stromanschlüsse zeigt und entkoppelt;  Obwohl benachbarte Leistungsstifte mit zwei parallelen Leiterbahnen entweder mit Durchkontaktierungen oder Entkopplungskondensatoren verbunden werden könnten, um die induktiven Schleifen für Rückströme noch weiter zu reduzieren

Nach [ Kraig Mitzner ] ist Option (a) für analoge ICs vorzuziehen. Ich sehe die Logik dahinter, da die Induktivität des Durchkontaktierungs- und des Entkopplungskondensators ein Tiefpass-LC-Filter bilden, das Rauschen von den Pins des IC fernhält. Aber gemäß [ Todd H. Hubbing ], Option (a):

[...] klingt nach einer guten Idee, bis Sie einige realistische Zahlen anwenden und die Kompromisse bewerten. Im Allgemeinen ist jeder Ansatz, der mehr Induktivität hinzufügt (ohne mehr Verlust hinzuzufügen), eine schlechte Idee. Strom- und Erdungsstifte eines aktiven Geräts sollten im Allgemeinen direkt mit den Leistungsebenen verbunden werden.

Zu Option (b) sagt [ Kraig Mitzner ] (der Autor der obigen Abbildung), dass dies für digitale Schaltungen vorzuziehen ist, erklärt jedoch nicht, warum. Ich verstehe, dass in Option (b) die Induktionsschleifen so klein wie möglich gehalten werden; Trotzdem können Schaltgeräusche vom IC leicht in die Leistungsebenen gelangen, was ich vermeiden möchte.

Sind diese Empfehlungen korrekt? Auf welcher genauen Begründung basieren sie?


BEARBEITEN: Beachten Sie, dass die Durchkontaktierung vom IC zum Kondensator und die Durchkontaktierungen so kurz wie möglich gehalten werden. Sie sind in der Abbildung nur zur Veranschaulichung als lange Spuren dargestellt.

andresgongora
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Bei niedrigeren Frequenzen spielt es keine Rolle, und bei hohen Frequenzen passieren seltsame Dinge. Ich würde jedoch Option A in allen allgemeinen Fällen allein aus einem Grund bevorzugen. In Option B geht der Strom in der Spur zwischen der Durchkontaktierung und dem Kondensator beim Schalten tatsächlich von nahe Null zu einer Spitze und muss am Ende eines Schaltvorgangs umkehren, um den Kondensator wieder aufzuladen.
Trevor_G
Die andere Option, die hier nicht gezeigt wird, besteht darin, die Leistungsebene unter dem IC zu platzieren. Wenn die Layoutbeschränkungen dies zulassen, können die Durchkontaktierung und der Kondensator in gleichem Abstand zum Stromanschluss platziert werden.
Polynom

Antworten:

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Wenn Sie einige grundlegende Simulationen mit übertriebenen Werten ausführen, ist es offensichtlich, dass Sie am Ende die Spike-Höhe gegen die Ringhöhe austauschen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Mit Schaltung A erhalten Sie weniger Spitzen am IC Vcc-Pin und mehr Ring, und mit Schaltung B ist das Gegenteil der Fall.

Beachten Sie den Strom in der Spur zum Kondensator in Schaltung B, der sich jedoch umkehrt.

Die andere Option, die Sie nicht gezeigt haben, besteht darin, die Leistungsebene unter den IC zu stellen, damit die Leiterbahnlängen gleich sind. Dies gibt Ihnen das Beste aus beiden Welten, wie im dritten Diagramm gezeigt. Wiederum kehrt sich der Strom in der Kappenlinie um.

Aus diesen Diagrammen würde ich tatsächlich sagen, dass Schaltung A für Digital besser ist, da Störkanten problematischer als Welligkeit sind und Schaltung B für Analog besser ist. Letztendlich ist C am besten. Aber wenn es um Begriffe wie "besser" geht, kommt die Meinung ins Spiel.

Letztendlich müssen Sie den Kondensator und die Durchkontaktierung so nah wie möglich am Pin halten, indem Sie minimale Spuren zwischen ihnen verwenden, um die Induktivität der Spuren zu minimieren. Zum Beispiel mit einer engen Pad / Via-Kombination, wie in Peufeus Antwort angegeben.

Trevor_G
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Vielen Dank für Ihre Simulationen und Einblicke. Jetzt bin ich jedoch noch verwirrter als zuvor, ob (a) oder (b) für analog bzw. digital besser sind. Ihre Argumentation ist das genaue Gegenteil von der von Kraig Mitzner. Außerdem wollte ich fragen, warum es so schlimm ist, dass sich der Strom umkehrt. Danke nochmal.
Andresgongora
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Sie haben mich dazu inspiriert, dieselbe Simulation durchzuführen, aber die Spannung in der Leistungsebene zu beobachten (ich habe einen zusätzlichen Induktor zwischen der Durchkontaktierung und der Spannungsquelle in Ihrer Schaltung hinzugefügt und dort gemessen). Setup (a) hat einige Welligkeiten, aber es ist nur ungefähr 10mV. Setup (b) hat eine ähnliche Welligkeit, aber ich bekomme eine große Spannungsspitze von ungefähr -0,7 V bei sehr hoher Frequenz. Du liegst absolut richtig. (a) ist viel besser für digital, da es das HF-Rauschen von der Stromverteilung fernhält. Auch (c) mit der geringsten Induktivität ist für den IC am besten geeignet, verhindert jedoch nicht, dass HF-Rauschen zur Leistungsverteilung gelangt.
Andresgongora
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Ich stimme den Ergebnissen von Trevor zu. Option (a) ist besser für digitale Schaltungen.
Guill
@ Guill Ignoriere Opcion (c), zwei unabhängige Spuren, und betrachte nur (a) und (b): Trevors Ergebnis impliziert, dass Mitzner und Hubbing (im Q zitierte Autoren) dann falsch zu sein scheinen, da (a) viel besser erscheint als (b); intuitiv sowie in der Simulation. Ich glaube jedoch, dass dies viel mehr ist und der Grund, warum beide (b) über (a) vorschlagen. Immerhin arbeitet einer von ihnen für Orcad ... Gibt es eine andere Quelle, zu der ich gehen kann?
Andresgongora
@Trevor_G Ich habe Ihre Antwort akzeptiert, da sie gründlich begründet zu sein scheint und die Simulationen sehr hilfreich sind. Ich bin immer noch ein bisschen verwirrt darüber, warum das Endergebnis den anderen (für mich maßgeblichen) Autoren widerspricht. Auf jeden Fall werde ich Ihrem Beispiel folgen und mit Simulationen
herumspielen,
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Für die niedrigste Induktivität platzieren Sie die Durchkontaktierungs-Erdungsebene an der Seite der Kappe anstatt am Ende einer dünnen Spur. Sie können zwei Durchkontaktierungen anbringen, eine auf jeder Seite, es ist sogar noch besser.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(Lesen Sie die Quelle )

In Anbetracht der gezeigten Schaltung befindet sich der IC nun im SOP- oder SSOP-Gehäuse, was bedeutet, dass mehr als 5 nH Bonddraht und Leadframe-Induktivität im Gehäuse vorhanden sind. Eine zusätzliche nH Spurinduktivität in der Stromleitung spielt keine Rolle. Wenn es sich um einen digitalen Chip handelt, wird mit den Fußabdrücken auf der rechten Seite des Bildes eine optimale Entkopplung der Ebene erreicht, und Sie können den Stromanschluss des IC mit dem Pad der Kappe verbinden.

Wenn dies ein empfindlicher analoger Chip in einer digitalen Ebene ist, ist das Hinzufügen eines Widerstands und / oder eines Ferrits vor der Kappe eine viel bessere Idee.

peufeu
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Stellen Sie sich dann vor, dass in: (a) ich die Durchkontaktierung so nah wie möglich an die IC-Leitung und direkt daneben den Entkopplungskondensator anschließe; und das in (b) mache ich genau das gleiche, aber umgekehrt. Jetzt sind die Spuren so kurz wie möglich, wie in Ihrer Abbildung gezeigt (minimale Induktivität). Welche Konfiguration ist nun besser, um die Leistungsebenen so weit wie möglich vom Schaltrauschen entkoppelt zu halten? Dort bin ich wirklich verwirrt. Vielen Dank :)
andresgongora