Блокировочные конденсаторы и питание: как развести

Откуда микросхема берёт ток

TI в руководстве SZZA009 формулирует главный принцип: по цепям питания платы должен идти только постоянный ток и ток подзарядки блокировочного конденсатора. Высокочастотный ток, который микросхема потребляет на фронтах, должен приходить из конденсатора, а не от источника питания. Если между конденсатором и выводом слишком большая индуктивность, ток пойдёт по пути с меньшим сопротивлением — от источника по дорожкам питания, и они начнут излучать.

Отсюда и требование к дорожкам питания и земли на двухслойной плате: отношение длины к ширине — не больше 3:1, а питание и землю ведут друг над другом, чтобы уменьшить индуктивность и площадь петли. То же отношение 3:1 повторяет для блокировочных конденсаторов руководство TI SLVA959B.

Несколько номиналов

Реальный конденсатор — это ёмкость, последовательно с которой стоят паразитная индуктивность и сопротивление ESR. Получается резонансный контур: ниже собственной частоты резонанса конденсатор работает как ёмкость, выше — как индуктивность. Большие номиналы дают низкое сопротивление на низких частотах и резонируют рано, маленькие — работают на высоких.

Поэтому ставят несколько номиналов параллельно: вместе они держат сопротивление цепи питания низким в широкой полосе. В примере TI SCAA082A на графике сопротивления набора конденсаторов виден подъём около 60 МГц — из-за пропущенного номинала между 100 и 10 нФ. Ещё один источник ёмкости на высоких частотах — пара близко расположенных плоскостей питания и земли многослойной платы: при хорошем стеке слоёв маленьких конденсаторов нужно меньше.

Порядок и расстояние

Правила из руководств TI SCAA082A и SLVA959B:

• Наименьший номинал — ближе всех к выводу питания. На его частотах индуктивность даже короткой дорожки уже заметна. Большие номиналы ставят за ним: на их частотах индуктивность дорожки почти не влияет.
• Как можно ближе. SLVA959B даёт ориентир — не дальше 0,5 см (0,2 дюйма).
• Тот же слой и без переходного отверстия между конденсатором и выводом. Конденсатор ставят на одной стороне с микросхемой и соединяют с выводом дорожкой.
• Отверстия — от площадок конденсатора. Переходные отверстия в плоскости питания и земли ставят у площадок конденсатора, чтобы ток от плоскостей шёл сначала в конденсатор, а потом к микросхеме. SCAA082A советует два-три отверстия к плоскости земли, а если земляной вывод микросхемы рядом — соединение напрямую.
• Ток — через конденсатор. Дорожка питания должна приходить к выводу микросхемы через площадку конденсатора, а не проходить мимо него.

На рисунке «хорошей» блокировки в SCAA082A конденсаторы стоят вплотную к выводам и соединены с ними короткими широкими полосками меди, а переходные отверстия к плоскостям — с внешней стороны их площадок.

Переходные отверстия к плоскостям ставят и для больших конденсаторов: SLVA959B рекомендует несколько отверстий на каждую площадку — чем их больше, тем меньше сопротивление.

Большие конденсаторы

Электролитические конденсаторы большой ёмкости — по SLVA959B для драйверов двигателей обычно больше 10 мкФ — сглаживают низкочастотные броски тока и запасают заряд для больших токов. Их ставят у входа питания платы или у модуля питания, с низким ESR и несколькими отверстиями к плоскостям. Керамические конденсаторы у выводов микросхемы они не заменяют.

Феррит и П-фильтр

TI в руководстве SZZA009 советует отделять питание микроконтроллера от общей цепи ферритовой бусиной:

• со стороны микросхемы, внутри фильтра, — блокировочный конденсатор 0,1 или 0,01 мкФ;
• с внешней стороны бусины — конденсатор 1000 пФ, вместе получается П-фильтр;
• бусину ставят только по питанию, не по земле.

Бусина не пропускает высокочастотный ток из общей цепи питания, и микросхема живёт за счёт заряда конденсатора внутри фильтра — помехи остаются в маленькой петле у микросхемы. По SZZA009 бусина и те же номиналы полезны и на четырёхслойной плате, а конденсатор 1000 пФ там может оказаться лишним — его закладывают в проект и убирают, если испытания на помехи показывают, что он не нужен.

Земля под микроконтроллером

На одно- и двухслойной плате SZZA009 рекомендует земляной остров под микроконтроллером: сплошную медь земли на обратной стороне, выходящую примерно на 1/4 дюйма (6 мм) за контур корпуса и соединённую с выводом земли. К ней подключают блокировочные конденсаторы и конденсаторы кварцевого резонатора — так петли получаются самыми маленькими.

Ещё одно правило из SCAA082A для плат с несколькими землями: конденсатор подключают между питанием и своей землёй. Конденсатор между плоскостью питания и землёй другого узла переносит помехи из одной системы питания в другую.

О плоскостях земли и питания и о том, сколько слоёв нужно, — в статье «Слои печатной платы», о переходных отверстиях — в статье «Переходные отверстия», другие правила — в разделе «Печатные платы».