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
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
Reálný konden
kondenzátor
átor
vlastní rezonanční kmitočet
(self resonance) ω
ω=1/√LC
1/√LC
!!!100nF SOLITÉR pro blokování číslicových obvodů JE HRUBÁ NÁVRHÁŘSKÁ CHYBA !!!
Vít Záhlava
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
1 Lokální (decoupling)
1.
• lokální zdroj energie pro každou součástku (impulzní proudy)
• keramickýý vff kondenzátor
á
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
1 Lokální (decoupling)
1.
Příklad pro 1 hradlo HCMOS (IP=15mA, ∆t=3,5ns, ∆UCC=25mV)
-3
Ip
15.10

2
Cd 
U CC
00,025
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
1 Lokální (decoupling)
1.
Příklad pro mikroprocesor (IP=200mA, ∆t=5ns, ∆UCC=25mV)
Ip
200.10-3
Cd 

 40
U CC
00,025
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
2 Skupinový (bulk)
2.
• 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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
2 Skupinový (bulk)
2.
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
t jjak
k u mikroprocesoru,
ik
ttak
k i u paměti
ěti
∆UCC - přípustná změna napájecího napětí
∑CIN - součet všech vstupních kapacit přebíjených mikroprocesorem
Vít Záhlava
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
3 Filtrační (bypassing)
3.
• širokopásmový filtr pro napájení celé desky
• eliminuje vliv indukčností
č
í přívodů,
ří
ů kontaktních
í odporů...
ů
• 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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
3 Filtrační (bypassing)
3.
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
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
16MH
OSC1
C10
15p
C11
15p
VCC
VCC
OSC2
C1
1n
C2
100n
C3
10u
Vít Záhlava
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
U í tě í kondenzátorů
Umístění
k d
át ů
-
obecně
b
ě
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
Umístění kondenzátorů
Vít Záhlava
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
Příklad blokování součástky
součástky, která
„kope“ rušení zpět do napájení
VCC X
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
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
Paralelní řazení kondenzátorů
s velkou proudovou zátěží
zdroj
spotřebič
C1
220u
C2
220u
ŠPATNĚ
C3
220u
zdroj
spotřebič
C1
C1`
220u
C2
220u
C3
220u
SPRÁVNĚ
Vít Záhlava
Návrh DPS a EMC – blokování napájení
Perlička:
poučka
čk „starých“
t ý h“ bastlířů
b tlířů
„Funguje
F
j Váš plošák
l šák nějak
ěj k divně?“
di ě?“
Nechte ho zapnutý,
zapnutý hrábněte do něj prstama
a když se rozjede,
šoupněte
šoup
ěte ta
tam místo
sto p
prstů
stů 1kΩ nebo 1nF

Co jjsme vlastně
C
l t ě udělali?
děl li?
Buď jsme impedančně přizpůsobili kritické dlouhé spoje s odrazy,
nebo jsme kvalitněji zablokovali napájecí napětí.
napětí
“…A to je pravda, to dá se 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
k d
kondenzátorů
át ů
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
M i
Maximum
continuous
ti
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
R t d AC voltage
Rated
lt
250V @ 50/60H
50/60Hz
300V @ 50/60H
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
1nF_Y
PE
N
C2
1nF_Y
1nF
Y
L1
100uH
C5
1nF_Y
C4 PE
100nF_X
C3
100nF_X
L2
100uH
C6
1nF_Y
1
F 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
Download

Vít Záhlava Návrh DPS a EMC – blokování napájení