Декаплинг: качество питания микросхем

Чтобы цифровые микросхемы работали правильно, рядом с ними должны стоять конденсаторы по питанию. В этой статье разбираемся, насколько те или иные решения при разработке (количество конденсаторов, их ёмкость, расположение и трассировка) могут повлиять на работу устройства. Под катом теория, симуляции и измерения.

Терминология

В английской литературе чаще всего используется термин "decoupling capacitor" (дословно - "развязывающий конденсатор"). Decoupling - уменьшение связи, в данном случае - уменьшение влияния шума от конкретной микросхемы на остальные компоненты на печатной плате. Также встречается "bypass capacitor" ("шунтирующий конденсатор"), что для меня звучит более логично. Подразумевается шунтирование (т. е. предоставление низкоимпедансного пути) импульсного тока потребления микросхемы.

PDN - Power Delivery Network, система распределения питания на печатной плате. Включает в себя трассировку питания и земли, конденсаторы декаплинга, источники питания (PMIC) и потребляющие энергию компоненты.

Via - переходное отверстие в печатной плате.

Стек (PCB stack-up) - внутренняя структура печатной платы, в том числе количество слоёв меди, толщина диэлектрика между ними, и их использование.

Импеданс - в этой статье термин используется в смысле |Z|, модуль полного сопротивления (включает активную (резистивную) и реактивную (индуктивную/емкостную) компоненты).

Дисклеймер: для вашего устройства влияние тех или иных факторов может оказаться совершенно другим, особенно при использовании другого стека печатной платы или при другой нагрузке. Используйте информацию мудро и проводите собственные оценки, симуляции и измерения.

Немного теории

Одна из главных задач при проектировании системы распределения питания на печатной плате - снижение амплитуды колебаний напряжения питания на кристаллах всех микросхем до такого уровня, при котором устройство всегда работает корректно и надёжно. Декаплинг - основной метод, используемый при решении этой задачи.

Откуда берётся шум по питанию

Колебания напряжения, о которых идёт речь - следствие импульсного потребления тока микросхемой при переключении состояния внешних или внутренних буферов. Эти переключения происходят внутри любой цифровой микросхемы.

Для примера рассмотрим буфер с напряжением питания 5 В, который нагружен на ёмкость в 15 пФ (например, вход другой микросхемы). Время нарастания сигнала 400 пс, выходное сопротивление 15 Ом, паразитная индуктивность выводов 1 нГн.

Как видно из графика, значение тока на выходе буфера достигает 185 мА, а скорость нарастания - 1.5 А/нс. При протекании этого тока через паразитную индуктивность выводов микросхемы (питания и земли) возникает падение напряжения (U = L*dI/dT). Когда буфер микросхемы переключается в единичку, импульсный ток протекает через вывод питания (Vdd) микросхемы, а при переключении в ноль - через вывод земли (GND):

Вот так выглядит напряжение питания Vdd и GND на кристалле (относительно земли печатной платы) во время переключений буфера:

В этом примере амплитуда шума достигает 1 В: на растущем выходном фронте питание проседает до 4 В; на падающем фронте земля поднимается до 1 В. Довольно много.

Но это был лишь один буфер. Ток пропорционален количеству одновременно переключаемых буферов; и если их будет 10 (что вполне реально для микроконтроллеров и многоканальных микросхем логики), шум станет в 10 раз сильнее.

Проблема решается четырьмя способами:

• ограничение скорости нарастания сигнала, уменьшение выходного уровня напряжения и снижение нагрузки, что в итоге уменьшает dI/dT и шум;

• использование комплементарных (дифференциальных) буферов, за счёт чего значительно снижается суммарный ток потребления (ток двух буферов взаимно компенсируется);

• добавление ёмкости непосредственно на кристалле (чтобы импульсный ток не протекал через индуктивность внешних выводов питания и земли),

• снижение индуктивности внешнего подключения питания и земли (более компактное корпусирование микросхемы и увеличение количества выводов питания и земли).

Разместить непосредственно на кристалле нужную ёмкость сложно и дорого (конденсаторы как структура на кристалле занимают большую площадь); поэтому встроенной в микросхему ёмкости для хорошего декаплинга не хватает. Нужны конденсаторы на печатной плате.

Декаплинг на печатной плате

Эффективность системы распределения питания можно охарактеризовать как значение импеданса Z(f) между питанием и землёй, которое "видит" микросхема с точки зрения своих выводов (синяя линия на графике ниже). Этот импеданс должен быть ниже некоторого Zmax (горизонтальная красная линия на графике ниже) во всём целевом диапазоне частот.

Целевой диапазон частот - тот, в котором микросхема потребляет ток через свои выводы питания и земли. Нет никакого смысла требовать от печатной платы низкий импеданс по питанию на частоте выше 1 ГГц: из-за паразитной индуктивности выводов кристалл просто не "увидит" печатную плату. На этой частоте Z(f) будет определяться только встроенными в кристалл конденсаторами (die caps).

Целевое значение импеданса PDN (Zmax) определяется пиковым током потребления микросхемы и бюджетом шума питания кристалла, выделенным на печатную плату. Суммарный бюджет шума питания состоит из двух частей:

• допустимое падение напряжения между "референсным уровнем" и футпринтом микросхемы (именно эта часть является заботой дизайнера печатной платы),

• допустимое падение напряжения между футпринтом микросхемы и кристаллом (а это - головная боль разработчика микросхемы).

Пиковый ток потребления зависит от количества одновременно переключаемых буферов, остроты фронтов и нагрузки. Бюджет шума по питанию определяется рабочим диапазоном напряжения питания микросхемы и входными логическими уровнями (поскольку колебание земли кристалла относительно земли платы приведёт к смещению уровня входных сигналов).

Импеданс PDN на высоких частотах (вплоть до частоты резонанса индуктивности выводов микросхемы и встроенной в кристалл ёмкости) определяется полной индуктивностью петли, образованной выводами конденсатора и выводами микросхемы потребителя (Vdd / GND). Увеличение ёмкости конденсатора, начиная с некоторого значения (зависит от конкретного потребителя, обычно около 10...100 нФ), не оказывает влияния на импеданс на высоких частотах.

О стеке печатной платы

Наиболее популярное использование четырёхслойной печатной платы - в верхнем и нижнем слоях сигналы, в первом внутреннем слое (L1) сплошной полигон земли, во втором внутреннем слое (L2) - полигоны питания.

Если вывод питания микросхемы соединять с выводом конденсатора дорожкой или полигоном в верхнем слое (без переходных отверстий), площадь петли и её полная индуктивность будут минимальными; высота петли составляет 0.2 мм.

Если возможности соединить вывод питания микросхемы и конденсатора в верхнем слое нет, и используются переходные отверстия к полигону питания в L2, паразитная индуктивность резко возрастает:

Центральный сегмент (между переходными отверстиями к полигону питания Vdd) имеет высоту в 1 мм - в пять раз больше, чем в предыдущем случае. С увеличением расстояния между микросхемой и конденсатором будет расти и паразитная индуктивность, поэтому расстояние должно быть как можно меньше.

Печатные платы с большим количеством слоёв (6, 8 и более) позволяют разместить полигоны питания и земли на минимальном расстоянии друг от друга. Когда зазор между парой слоёв Vdd/GND менее 0.1 - 0.3 мм, влияние расстояния между микросхемой и конденсатором уменьшается, и более значимой становится паразитная индуктивность подключения конденсатора (и микросхемы) к этим двум полигонам. Она зависит от расположения и количества переходных отверстий вокруг контактных площадок, а также от расстояния между парой слоёв Vdd/GND и поверхностью платы, на которой установлен компонент-потребитель.

Итоговый выбор конструкции зависит от характеристик микросхемы-потребителя, возможности применения оптимальной топологии и экономической целесообразности.

Тестовый стенд

В качестве потребителя выступает микросхема простой логики от Texas Instruments в корпусе SC-70-6 - сдвоенный инвертирующий триггер Шмидта SN74LVC2G14DCKR с выходами push-pull. На первом инверторе построен кольцевой генератор, а второй используется для мониторинга шума питания непосредственно на кристалле.
Кольцевой генератор настроен на частоту около 25 МГц (между выходом и входом инвертора 10 кОм). Напряжение питания 5 В.

Копеечная микросхема логики, нагруженная на пробник осциллографа, выдает фронт длиной менее 800 пс при амплитуде сигнала в 5 В (возможно, фронт ещё короче, но измерить его имеющимися приборами не получится), что соответствует полосе не менее 430 МГц. Без фильтрации / терминации сигнала такой острый фронт наверняка приведёт к проблемам как качества сигнала (signal integrity), так и электромагнитной совместимости (ЭМС), вплоть до полной неработоспособности устройства.
Если допустить, что длина фронта равна 800 пс (это оценка сверху), электрически короткой для него можно считать линию длиной не более 80 пс, или примерно 12 мм. Это значит, что для современных микросхем практически любая линия электрически длинная.

Четырёхслойная печатная плата использует наиболее популярную структуру, в которой первый внутренний слой занят сплошным полигоном земли, а второй внутренний слой - полигонами питания.

Общая толщина платы 1.6 мм, препреги 7628 толщиной 0.21 мм (TOP-L1 и L2-BOT), ядро 1.065 мм (L1-L2). Диаметр переходных отверстий 0.3 мм; конденсаторы типоразмера 0402.

Метод измерений

Как измерить шум питания на кристалле?

Поскольку любое корпусирование неизбежно добавляет индуктивность к каждому выводу, измерение шума на выводах питания микросхемы даст заниженную оценку. Чтобы измерить шум питания таким, каким его видит кристалл, можно использовать один из push-pull выходов микросхемы, установив его в единицу. Шум на нём и будет искомым сигналом.

Идеальный вариант - использовать активный дифференциальный пробник и два push-pull выхода, один из которых установлен в ноль, а второй - в единицу.

С помощью пассивного пробника x10 с пружинкой и осциллографа MSO5354 (суммарная полоса пропускания чуть менее 350 МГц, частота сэмплирования 8 Гс/с) измеряем шумы питания в двух местах: на полигоне печатной платы рядом с микросхемой, и на выходе инвертора, установленном в единичку. Основная количественная метрика - полный размах шума, т. е. значение Vpp.

Кольцевой генератор во время измерений шума питания работает без нагрузки (щуп осциллографа не подключен к выходу генератора).

#1: Влияние ёмкости конденсатора декаплинга

В этой серии измерений используется один конденсатор декаплинга (0402) различных номиналов. Конденсатор подключен к выводу питания микросхемы дорожкой на верхнем слое печатной платы, к земле - через переходное отверстие. Именно такая топология будет чаще всего встречаться в ваших проектах.

В таблице ниже приведены результаты измерений:

Как видно из результатов измерения, в этом тесте начиная с 10 нФ увеличение ёмкости не приводит к значимым изменениям - ни в хорошую сторону, ни в плохую. Конденсатор 10 мкФ фильтрует высокочастотные помехи так же хорошо, как и 10 нФ.

Конденсаторы маленькой ёмкости (менее 1 нФ) использовать точно не стоит: запасённой энергии недостаточно, чтобы удерживать напряжение на нужном уровне. Вот так выглядит график напряжения питания на кристалле при недостаточной ёмкости:

При этом выходной сигнал буфера также искажается (завал переднего фронта):

Ещё более ярко этот эффект заметен, если конденсатор убрать (при этом работает только встроенная на кристалле ёмкость):

При ёмкости конденсатора в 1 нФ низкочастотные колебания становятся менее выраженными, но всё ещё присутствуют:

При ёмкости конденсатора 10 нФ и более (для данной нагрузки) низкочастотные колебания пропадают. Эффективность декаплинга при дальнейшем увеличении ёмкости не изменяется.

Вывод: если ёмкость конденсатора больше некоторого минимума (в нашем тесте - 10 нФ), её значение не влияет на эффективность декаплинга. В большинстве случаев следует использовать наибольшую доступную ёмкость (в данном корпусе), которая не ведёт к удорожанию. Чаще всего это 0402 X5R/X7R 0.1 мкФ или 1 мкФ.

#2: Влияние количества локальных конденсаторов и использования полигонов в верхнем слое печатной платы

В этой серии измерений используется топология, близкая к идеальной - множественные переходные отверстия GND и соединение Vdd с помощью локальных полигонов на верхнем слое. Ёмкость конденсаторов равна 0.47 мкФ. Сравнивается шум при установке одного (на картинке левый) и двух конденсаторов. Результаты измерений:

Анализ результатов:

1. установка второго конденсатора вдвое снижает шум на плате, и на 21% - на кристалле.

2. при такой топологии шум на ~25% меньше как на плате, так и на кристалле (в сравнении с предыдущим опытом).

Вывод: при максимальном приближении конденсатора к микросхеме и оптимизации топологии (полигоны, множественные переходные отверстия) можно получить значимый выигрыш (+25%) в эффективности декаплинга в сравнении с топологией из опыта #1. Увеличение количества локальных конденсаторов также значимо (+21% chip, +100% PCB) улучшает декаплинг. Если возможно, всегда используйте такую топологию и несколько конденсаторов.

#3: Track v.s. via: влияние способа соединения микросхемы и конденсатора

В этой серии измерений сравнивается эффективность декаплинга в двух ситуациях:

• питание микросхемы соединено с конденсатором через via и полигон в слое L2,

• питание микросхемы соединено с конденсатором дорожкой в верхнем слое.

Расположение компонентов в точности совпадает, ёмкость конденсатора 0.47 мкФ. Результаты измерений:

Анализ результатов: соединение вывода микросхемы с конденсатором в верхнем слое снижает шум на кристалле в 1.6 раза, а на плате - в 2.8 раза. Если сравнить идеальную топологию из #2 и способ "via и полигон в L2", разница окажется ещё более существенной: для кристалла в 1.9 раза, для платы в 3.6 раза.

Вывод: даже если конденсатор расположен близко (2-3 мм) к микросхеме, соединение Vdd через переходные отверстия и полигон значимо ухудшает эффективность (60%, 180%) в сравнении с дорожкой в верхнем слое. Если возможно, всегда соединяйте Vdd микросхемы и конденсатора в верхнем слое (топология из опыта #2).

#4: Влияние положения переходных отверстий вокруг конденсатора

В этой серии измерений сравнивается эффективность декаплинга для разного расположения переходных отверстий вокруг конденсатора. Ёмкость 0.47 мкФ, в каждом опыте установлен только один конденсатор.

Анализ результатов: шум на кристалле не изменился, шум на плате уменьшился на 9% при использовании паттерна подключения с меньшей паразитной индуктивностью.

Вывод: эффективность для двух приведённых вариантов расположения via примерно одинакова (для данного стека печатной платы).

#5: Влияние расстояния до конденсатора

В этой серии измерений сравнивается эффективность декаплинга для разного расстояния от микросхемы-потребителя до конденсатора. Ёмкость 0.47 мкФ, в каждом опыте установлен только один конденсатор. Результаты измерений:

Анализ результатов: если конденсатор стоит дальше 20 мм, влияние расстояния ослабевает. Разница в эффективности для расстояния 3.5 мм и 10.6 мм составляет (48%, 42%); для расстояния 3.5 мм и 20 мм - (75%, 52%).

Вывод: при подключении конденсатора через via и полигоны во внутренних слоях расстояние до микросхемы крайне важно (для данного стека печатной платы). Располагайте конденсатор как можно ближе к микросхеме, в диапазоне 2 - 10 мм каждый миллиметр играет роль.

#6: Влияние количества удалённых конденсаторов

В этой серии измерений сравнивается эффективность декаплинга для разного количества конденсаторов, подключенных через полигоны во внутренних слоях и расположенных сравнительно далеко от микросхемы. Ёмкость 0.47 мкФ. Расстояние до ближайшего конденсатора (№4) равно 15 мм, до №1 - 24 мм, до №5 - 35 мм.

Результаты измерений:

Анализ результатов:

• три конденсатора (на расстоянии 24 мм, 21 мм, 18 мм) по эффективности превосходят один конденсатор на 15 мм;

• два конденсатора (24 мм и 21 мм) по эффективности примерно равны одному на 15 мм;

• пять конденсаторов (ближайший на 15 мм) всё ещё значительно хуже одного на 2 мм;

• добавление пятого конденсатора на расстоянии 35 мм незначительно улучшает декаплинг на (4%, 3%).

Вывод: если конденсаторы нельзя поставить рядом, увеличивайте количество. Но расстояние и способ подключения всё равно важнее.

Заключение

В четырёхслойных платах с типовым стеком крайне важно соединять Vdd конденсатора декаплинга с выводом Vdd микросхемы без переходных отверстий, лучше всего - полигоном. Рекомендуется применять наибольшую доступную емкость в минимальном корпусе, которая не ведёт к удорожанию. Чаще всего это 0.1 ... 1 мкФ (0402 X5R/X7R).

Факторы, которые оказывают значимое влияние на эффективность декаплинга (для рассмотренной тестовой платы):

• способ соединения выводов Vdd конденсатора и микросхемы (никаких via),

• расстояние между конденсатором и микросхемой (как можно ближе),

• количество конденсаторов (минимум один, лучше - больше),

• количество и расположение переходных отверстий GND для конденсатора и для микросхемы (больше одного переходного отверстия - меньше паразитная индуктивность).

Further reading

• Библия PDN: Principles of Power Integrity for PDN Design - Eric Bogatin

• Murata: Power Supply Noise Suppression and Decoupling for Digital ICs

• Презентация Teledyne LeCroy / Eric Bogatin: Principles of Power Integrity for PDN Design

• Вебинар от Eric Bogatin про измерение шума на кристалле (и слайды отдельно)

• Статья Eric Bogatin об измерении шума питания на кристалле

• DesignCon 2010: On-Chip PDN Noise Characterization and Modeling

• DesignCon 2011: On-Die Capacitance Measurements in the Frequency and Time Domains

• DesignCon 2015: Impedance and Transient Current Fundamentals

• Про резонансы в PDN и важность добротности (Bandini Mountain)

• Texas Instruments: введение в декаплинг

• Sierra Circuits: расположение конденсаторов декаплинга

• Skyworks: паразитная индуктивность выводов SOT-23

• Статья на Хабре от Ocelot