Návrh DPS a EMC blokování napájení. Blokování napájení

Transkript

1 Problém: Blokování napájení impulzní spotřeba součástek 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...

2 vlastní rezonanční kmitočet (self resonance) ω=1/ LC Reálný kondenzátor!!!100nf SOLITÉR pro blokování číslicových obvodů JE HRUBÁ NÁVRHÁŘSKÁ CHYBA!!!

3 Reálný kondenzátor IMPEDANCE R4 I P 1Vac 0Vdc 0.1 V1 R L2 0.5n FÁZE PROUDU C1 {Cx} L3 0.5n R

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

5 1. Lokální (decoupling) lokální zdroj energie pro každou součástku (impulzní proudy) keramický vf kondenzátor C d I p U t [F] CC I p - impulzní proudová spotřeba obvodu U CC -přípustná změna napájecího napětí t - doba trvání proudového impulzu (t r a t f ).

6 1. Lokální (decoupling) Příklad pro 1 hradlo HCMOS (I P =15mA, t=3,5ns, U CC =25mV) C d I p U t [n ] 0, F -9 3,5.10 keramický kondenzátor s rezonančním kmitočtem U CC nad 90MHz!!! I - impulzní proudová spotřeba obvodu U - přípustná změna napájecího napětí t - doba trvání proudového impulzu (t r a t f ). Použijeme například paralelní kombinaci 100nF a 1nF

7 1. Lokální (decoupling) Příklad pro mikroprocesor (I P =200mA, t=5ns, U CC =25mV) C d I p U t U CC I - impulzní proudová spotřeba obvodu U -přípustná změna napájecího napětí t - doba trvání proudového impulzu (t r a t f ) [n ] 0, F keramický kondenzátor s rezonančním kmitočtem nad 60MHz!!! Použijeme například paralelní kombinaci 100nF a 1nF

8 2. Skupinový (bulk) zdroj pro přebíjení kapacitních zátěží (I L ) tantalový nebo keramický kondenzátor C BULK U CC C IN U CC [F] U CC C IN -přípustná změna napájecího napětí -součet všech vstupních kapacit přebíjených mikroprocesorem

9 2. Skupinový (bulk) Příklad pro mikroprocesor a 16-bitovou paměť (C IN =5pF na 1 vstup, U CC =25mV) C BULK U CC C IN -12 CIN UCC [n F ] 0,025 U CC Použijeme například keramický kondenzátor 1uF a to jak u mikroprocesoru, tak i u paměti -přípustná změna napájecího napětí -součet všech vstupních kapacit přebíjených mikroprocesorem

10 3. Filtrační (bypassing) širokopásmový filtr pro napájení celé desky eliminuje vliv indukčností č přívodů, ů kontaktních odporů... ů elektrolytický + keramický kondenzátor C BYPASS LPSW [ F] 2 Z PWR Z PWR U I CC CC [ ] L PSW - parazitní indukčnost napájecího systému (10nH/cm) U CC -přípustná změna napájecího napětí Z PWR - impedance napájecího systému I CC - celkový impulzní proudový odběr

11 3. Filtrační (bypassing) Příklad pro malou desku s mikroprocesorem ( I CC =500mA, U CC =25mV, 20cm PWR spojů, 10nH/cm) ( CC CC Z C PWR BYPASS U I CC CC [m ] 0,5-9 L PSW [ F ] 2-3 Z 2,5.10 PWR 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...)

12 Příklad blokování mikroprocesoru RA0 RA1 RA2 RA3 RA4 RA5 OSC1 OSC2 U1 PIC18F RA0 RB0 9 6 RA1 RB RA2 RB RA3 RB RA4 RB RA5 RB OSC1 RB6 13 OSC2 RB7 5 VSS VDD 14 RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 VCC OSC1 Q1 16MHz OSC2 VCC VCC VCC C10 C11 C1 C2 C3 15p 15p 1n 100n 10u

13 Umístění íkondenzátorů ů - obecně ě

14 V1 = 0 V2 = 5 TD = 200n TR = 10n TF = 10n PW = 1u PER = 2u 0 V2 V V 0 L2 L1 U1 1 2 A VCC 3 Y GND 4 50nH 100nH V V1 74HCT04_P R k C1 {Cx} PARAMETERS: Cx = 100n I 0 0

15 Umístění kondenzátorů

16 Příklad blokování součástky, která kope rušení zpět do napájení VCC_X 1 RA5 2 RA4 3 RA3 4 U2 VDD GP5/OSC1 GP4/AN3/OSC2 GP3/MCLR VSS 8 7 GP0/AN0 6 GP1/AN1 5 GP2/AN2 RA0 RA1 RA2 C4 1n VCC_X VCC_X VCC_X VCC VCC VCC L1 1 2 C5 100n C6 10u BLM18KG121TN1 C7 1n C8 100n C9 10u

17 Paralelní řazení kondenzátorů s velkou proudovou zátěží zdroj C1 220u C2 220u C3 220u spotřebič zdroj C1` 220u C2 220u C3 220u spotřebič ŠPATNĚ SPRÁVNĚ

18 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 ě udělali? li? Buď jsme impedančně přizpůsobili kritické dlouhé spoje s odrazy, nebo jsme kvalitněji zablokovali napájecí napětí. A to je pravda, to dá se říct TSR

19 Keramické kondenzátory NP nF X7R 100p..10uF Y5V 1n..100uF

20 Tantalové kondenzátory

21 Keramické x tantalové kondenzátory

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

23 Třídy fóliových kondenzátorů ů

24 Fóliové kondenzátory - X1, X2 Line to line applications Dissipation factor tanδ Insulation resistance MΩ MΩ Rated AC voltage 50/60Hz 50/60Hz Maximum continuous VDC 1000V 630V DC test voltage 1min 1min X1 X2

25 Fóliové kondenzátory - Y1, Y2 Line to ground applications Dissipation factor tanδ Insulation resistance MΩ MΩ Maximum continuous VAC 50/60Hz 50/60Hz Rated dac voltage 50/60Hz 50/60Hz Maximum continuous VDC 3000V 1500V DC test voltage 2s 2s Y1 Y2

26 Napájecí filtr (příklad 1) L D1 D1N4007 PWR_AC1 C1 1nF_Y L1 100uH C5 1nF_Y D3 D1N4007 C7 1nF_Y PE C3 100nF_X PE C4 100nF_X D2 D1N4007 PE N C2 1nF_Y L2 100uH C6 1nF_Y D4 D1N4007 C8 1nF_Y PWR_AC2

27 Napájecí filtr (příklad 2) L D1 D1N4007 L1 POSITIVE 4.7mH C1 4.7uF C2 4.7uF N NEGATIVE