EMC a blokování napájení

EMC a blokování napájení

 Reálný kondenzátor  Tři druhy blokovacích kondenzátorů  Správné umístění blokovacích kondenzátorů  Vlastnosti různých typů kondenzátorů

Vít Záhlava

Návrh DPS a EMC – blokování napájení

Blokování napájení Problém:   

impulzní spotřeba součástek – 100 .. 102 mA /ns zpoždění průchodu proudu na DPS > 0,1ns/cm stabilizátor napětí „nestíhá“ – reakční doba > 1μs

Řešení: 

blokovací kondenzátor = velmi blízký a „pohotový“ zdroj ...každý jiný napájecí zdroj se nachází elektricky příliš daleko od spotřebiče...

Vít Záhlava


Reálný kondenzátor vlastní rezonanční kmitočet (self resonance) ω=1/√LC

!!!100nF SOLITÉR pro blokování číslicových obvodů JE HRUBÁ NÁVRHÁŘSKÁ CHYBA !!!

Vít Záhlava


Reálný kondenzátor

IP

IMPEDANCE

R4

1Vac 0Vdc

0.1 V1

0

R2 0.05

L2 0.5n

C1 {Cx}

FÁZE PROUDU

L3 0.5n

R3 0.05

0

Vít Záhlava


Tři druhy blokovacích kondenzátorů

1. Lokální (decoupling) • lokální zdroj energie pro každou součástku (impulzní proudy) • keramický vf kondenzátor 2. Skupinový (bulk) 3. Filtrační (bypassing) • zdroj pro přebíjení kapacitních zátěží • širokopásmový filtr pro napájení celé desky • tantalový nebo keramický kondenzátor • eliminuje vliv indukčností přívodů, kontaktních odporů... • elektrolytický + keramický kondenzátor

Vít Záhlava


1. Lokální (decoupling)

• lokální zdroj energie pro každou součástku (impulzní proudy) • keramický vf kondenzátor

Ip Cd  U CC t

[F ] Ip - impulzní proudová spotřeba obvodu ∆UCC - přípustná změna napájecího napětí ∆t - doba trvání proudového impulzu (tr a tf).

Vít Záhlava



Příklad pro 1 hradlo HCMOS (IP=15mA, ∆t=3,5ns, ∆UCC=25mV)

-3 Ip 15.10 Cd   2 U CC 0,025 3,5.10-9 t I - impulzní proudová spotřeba obvodu ∆U - přípustná změna napájecího napětí ∆t - doba trvání proudového impulzu (tr a tf).

[nF ]

keramický kondenzátor s rezonančním kmitočtem nad 90MHz !!!

Použijeme například paralelní kombinaci 100nF a 1nF

Vít Záhlava



Příklad pro mikroprocesor (IP=200mA, ∆t=5ns, ∆UCC=25mV)

Ip 200.10-3 Cd    40 U CC 0,025 5.10-9 t I - impulzní proudová spotřeba obvodu ∆U - přípustná změna napájecího napětí ∆t - doba trvání proudového impulzu (tr a tf).

[nF ]

keramický kondenzátor s rezonančním kmitočtem nad 60MHz !!!

Použijeme například paralelní kombinaci 100nF a 1nF

Vít Záhlava


2. Skupinový (bulk)

• zdroj pro přebíjení kapacitních zátěží (IL) • tantalový nebo keramický kondenzátor

C BULK  U CC   CIN U CC

[F ]

∆UCC - přípustná změna napájecího napětí ∑CIN - součet všech vstupních kapacit přebíjených mikroprocesorem

Vít Záhlava


2. Skupinový (bulk)

Příklad pro mikroprocesor a 16-bitovou paměť (CIN=5pF na 1 vstup, ∆UCC=25mV)

C BULK 

 CIN U CC U CC

16  5.10-12  5   16 0,025

[nF ]

Použijeme například keramický kondenzátor 1uF a to jak u mikroprocesoru, tak i u paměti

∆UCC - přípustná změna napájecího napětí ∑CIN - součet všech vstupních kapacit přebíjených mikroprocesorem

Vít Záhlava


3. Filtrační (bypassing)

• širokopásmový filtr pro napájení celé desky • eliminuje vliv indukčností přívodů, kontaktních odporů... • elektrolytický + keramický kondenzátor

C BYPASS

LPSW  2 Z PWR

[F ]

LPSW - parazitní indukčnost napájecího systému (10nH/cm) ZPWR - impedance napájecího systému

Z PWR

U CC  I CC

[]

∆UCC - přípustná změna napájecího napětí ∆ICC - celkový impulzní proudový odběr

Vít Záhlava


3. Filtrační (bypassing)

Příklad pro „malou“ desku s mikroprocesorem (∆ ICC=500mA, ∆UCC=25mV, 20cm PWR spojů, 10nH/cm)

Z PWR

U CC 25.10-3    50 I CC 0,5

C BYPASS

L 200.10  PSW  2 Z PWR 2,5.10

-9 -3

[m]  120

[F ]

Použijeme například: 2-3ks tantalových kondenzátorů 100uF + keramický kondenzátor 10nF u konektoru

!!! tato sestava neřeší filtraci EMC !!! nutno doplnit vhodným I/O filtrem (LC) s ochrannými prvky (Transil...)

Vít Záhlava


Příklad blokování mikroprocesoru

RA0 RA1 RA2 RA3 RA4 RA5 OSC1 OSC2

1 2 6 7 3 4 16 15 5

U1 PIC18F1220 8 RA0 RB0 9 RA1 RB1 17 RA2 RB2 18 RA3 RB3 10 RA4 RB4 11 RA5 RB5 12 OSC1 RB6 13 OSC2 RB7 14 VSS VDD

RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 VCC

VCC Q1 16MHz

OSC1 C10 15p

C11 15p

VCC

VCC

OSC2 C1 1n

C2 100n

C3 10u

Vít Záhlava


Umístění kondenzátorů

-

obecně

Vít Záhlava


Parazitní indukčnost na DPS

≈ 10nH/cm 1mm spoje, 1A, 1ns: 1. 10

1 1.10

Vít Záhlava


Parazitní indukčnost na DPS

≈ 10nH/cm

Příklad pro 1 hradlo HCMOS SOIC14 a 1mm spoje ke kondenzátoru: 0,5mm

1mm L: di: dt:

6mm x 1nH 10mA 1/3 tf ≈ 1ns

0,5mm 2mm

2mm

VCHIP = VCC – UL

6 ∗ 1. 10

0,01 1.10

Vít Záhlava


Parazitní indukčnost na DPS Rychlé součástky s větší spotřebou

≈ 10nH/cm

= nutná eliminace parazitní indukčnosti

 umístění napájecích pinů blíže k čipu (ne na uhlopříčce)  více paralelních pinů PWR/GND  pouzdra s velkoplošným GND padem (QFN...)  více paralelních blokovacích kondenzátorů  přívod PWR a GND plochami (= vícevrstvé DPS)

Rychlé součástky s větší spotřebou

 umístění napájecích pinů blíže k čipu (ne na uhlopříčce)

≈ 10nH/cm

 více paralelních pinů PWR/GND  pouzdra s velkoplošným GND padem (QFN...)  více paralelních blokovacích kondenzátorů  přívod PWR a GND plochami (= vícevrstvé DPS)

≈10mA/1ns

≈100mA..1A/1ns..100ps

≈1A..10A/100ps..10ps

BGA – „napájecí kříž“

• • •

Symetrický odvod tepla Polohovací značky TOP Blokovací kondenzátory v kříži BOTTOM

Návrh DPS a EMC – blokování napájení I

Vít Záhlava V

V2 R1 10k

V

V1 = 0 V2 = 5 TD = 200n TR = 10n TF = 10n PW = 1u PER = 2u

1 2

0

0

U1 A Y

VCC GND

74HCT04_P

3 4 V

L2

L1

50nH

100nH V1

0 C1 {Cx}

5

PARAMETERS:

0 Cx = 100n

0

Vít Záhlava


Umístění kondenzátorů

Vít Záhlava


Příklad blokování součástky, která „kope“ rušení zpět do napájení VCC_X 1 RA5 2 RA4 3 RA3 4

U2 VDD VSS GP5/OSC1 GP0/AN0 GP4/AN3/OSC2 GP1/AN1 GP3/MCLR GP2/AN2

VCC_X VCC_X VCC_X 1

VCC L1

8 7 6 5 VCC

RA0 RA1 RA2 VCC

2

BLM18KG121TN1 C4 1n

C5 100n

C6 10u

C7 1n

C8 100n

C9 10u

Vít Záhlava


Paralelní řazení kondenzátorů s velkou proudovou zátěží zdroj

spotřebič C1 220u

C2 220u

ŠPATNĚ

C3 220u

zdroj

spotřebič C1` 220u

C2 220u

C3 220u

SPRÁVNĚ

Vít Záhlava


Perlička: poučka „starých“ bastlířů „Funguje Váš plošák nějak divně?“ Nechte ho zapnutý, hrábněte do něj prstama a když se rozjede, šoupněte tam místo prstů 1kΩ nebo 1nF



Co jsme vlastně udělali? Buď jsme impedančně přizpůsobili kritické dlouhé spoje s odrazy, nebo jsme kvalitněji zablokovali napájecí napětí. “…a to je pravda, to můžem říct…“

TSR

Keramické kondenzátory

NP0 0..10nF

X7R 100p..10uF

Y5V 1n..100uF

Tantalové kondenzátory

Keramické x tantalové kondenzátory

Al elektrolytické kondenzátory 100uF/25V – Panasonic (příklad)

Třídy fóliových kondenzátorů

Fóliové kondenzátory - X1, X2 Line to line applications X1

X2

Dissipation factor tanδ

1.10-3

1.10-3

Insulation resistance

15 000 MΩ

15 000 MΩ

Rated AC voltage

440V @ 50/60Hz

310V @ 50/60Hz

Maximum continuous VDC

1000V

630V

DC test voltage

3400V @ 1min

2200V @ 1min

Fóliové kondenzátory - Y1, Y2 Line to ground applications Y1

Y2

Dissipation factor tanδ

1.10-3

1.10-3

Insulation resistance

30 000 MΩ

100 000 MΩ

Maximum continuous VAC

750V @ 50/60Hz

480V @ 50/60Hz

Rated AC voltage

250V @ 50/60Hz

300V @ 50/60Hz

Maximum continuous VDC

3000V

1500V

DC test voltage

4800V @ 2s

4000V @ 2s

Napájecí filtr (příklad 1) D1 D1N4007

PWR_AC1

L C1 1nF_Y

PE

N

C2 1nF_Y

L1

100uH

C5 1nF_Y C4 PE 100nF_X

C3 100nF_X L2

100uH

C6 1nF_Y

D3 D1N4007

C7 1nF_Y

PE D2 D1N4007 D4 D1N4007

C8 1nF_Y

PWR_AC2

Napájecí filtr (příklad 2) L

D1 D1N4007

L1 POSITIVE 4.7mH

C1 4.7uF N

C2 4.7uF NEGATIVE

EMC a blokování – zdroje a literatura

 Záhlava, V. : Návrh a konstrukce desek plošných spojů, BEN, Praha 2011  Katalogové listy součástek

EMC a blokování napájení

Recommend Documents