PCB設計でコンデンサの組み合わせを選択する方法

PCB設計でコンデンサの組み合わせを選択する方法

PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB 設計でコンデンサの組み合わせを合理的に選択する方法を説明しています

前述したように、過渡電流の変化はステップ信号に相当し、広いスペクトルを持っています。 したがって、この電流需要を補償するために、広い周波数範囲で十分な低電力インピーダンスを提供する必要があります。 ただし、異なるコンデンサの有効周波数範囲は異なります。これは、コンデンサの共振周波数に関連しています (厳密に言えば、設置後の共振周波数でなければなりません)。 有効な周波数範囲 (コンデンサが十分に低いインピーダンスを提供できる周波数範囲) は、共振点に近い小さな周波数です。 したがって、広い周波数範囲で十分に低い電力インピーダンスを提供するには、さまざまなコンデンサの組み合わせが必要です。

キャパシタンスが1つだけでも、並列コンデンサの数が十分であれば、インピーダンスは同じように低くてもよいと言えます。 確かにそうですが、実際のアプリケーションでは、ほとんどの場合、必要な静電容量が非常に大きいと計算できます。 本当にこれを行いたい場合は、回路基板がコンデンサでいっぱいになっている可能性があります。 それは専門的でも必要でもありません。

コンデンサの組み合わせには、パッケージ、材質、容量値の大きさ、容量値の間隔、メインクロック周波数とその高調波周波数、信号の立ち上がりなど、考慮すべき問題がたくさんあります。 特定の設計に従って特別に設計する必要がある時間。

一般に、ボード レベルの低周波デカップリングにはタンタル コンデンサまたは電解コンデンサが使用されます。 静電容量の計算方法については、以前に説明しました。 等価直列インダクタンスを減らすには、複数のコンデンサを並列に使用する方がよいことに注意してください。 これら 2 つのコンデンサの Q 値は非常に低く、周波数選択性は強くないため、ボード レベルのフィルタリングに非常に適しています。

高周波の小型コンデンサの選択はやや面倒で、分周計算が必要です。 デカップリングする周波数範囲は、いくつかのセクションに分割できます。 各セクションは個別に計算されます。 インピーダンス要件を満たすために、同じ静電容量値を持つ複数のコンデンサが並列に使用されます。 周波数帯域ごとに異なる静電容量値が選択されます。 ただし、この方法では、計算結果に応じて周波数帯域の分割を常に調整する必要があります。

通常、3 ～ 4 つの周波数帯域に分割できます。これには、3 ～ 4 つの容量レベルが必要です。 実際、より多くの静電容量レベルを選択するほど、インピーダンス特性はより平坦になります。 ただし、多くの容量レベルを使用する必要はありません。 もちろん、インピーダンスの平坦性は良好ですが、この要件を満たす限り、最終的な目標は、合計インピーダンスが目標インピーダンスを下回ることです。

特定のレベルで選択される容量値は、システム クロックの周波数に依存します。 前述のように、コンデンサの並列接続には反共振があります。 設計時には、クロック周波数の高調波が反共振周波数付近にならないように注意してください。 例えば、ゼロ点法レベルに 0.47、0.22、0.1 などを選択した場合、次の設置後の共振周波数を計算します。

また、容量値の定格は10倍を超えないように注意してください。 たとえば、0.1、0.01、0.001 などの組み合わせを選択できます。 これにより、反共振点インピーダンスの振幅を効果的に制御できるからです。 間隔が広すぎると反共振点インピーダンスが大きくなります。 もちろん、これは絶対ではありません。 最終的な目標は、反共振点のインピーダンスが要件を満たすことができるかどうかを確認するために、ソフトウェアを使用することをお勧めします。

高周波用の小型コンデンサの選択は、最適な組み合わせを得るために最適解を繰り返し探索するプロセスです。 最適な方法は、おおよその組み合わせを大まかに計算し、シミュレーションにパワー インテグリティ シミュレーション ソフトウェアを使用してから、ターゲットのインピーダンス要件を満たすように局所的に調整することです。 これは直感的で便利で、反共振点を制御しやすくなります。 また、電源プレーンの容量も合わせて設計できます。

セラミックコンデンサは、通常、容量が小さい中程度の従来の設計で選択されます。 NP0 誘電体コンデンサの ESR ははるかに低くなります。 より厳密なインピーダンス制御により、ローカルで使用できます。 ただし、このコンデンサの Q 値は非常に高く、深刻な高周波リンギングを引き起こす可能性があることに注意してください。

処理能力が許す限り、パッケージは小さいほどよい。 このようにして、より低いESLを得ることができ、より多くの配線スペースを確保することができます。 ただし、パッケージが異なれば、共振周波数ポイントと静電容量範囲も異なり、最終的な静電容量に影響を与える可能性があります。 したがって、コンデンサのパッケージ サイズと静電容量値は一緒に検討する必要があります。 要するに、最終的な目標は、最小の静電容量で目標のインピーダンス要件を達成し、設置と配線の圧力を軽減することです。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB 設計でコンデンサの組み合わせを合理的に選択する方法を説明しています。