PCB에서 디커플링 커패시터를 사용하여 더 나은 신호 무결성을 얻는 방법

이 PCB 구성 요소는 전원 공급 라인에서 고주파 스위칭 노이즈를 감쇠하는 데 사용됩니다. 또한 민감한 집적 회로에 해로울 수 있는 전압 변동을 줄이는 데에도 사용됩니다. 이는 회로에서 전력 흐름을 방지하는 데 사용됩니다. 기본적으로 다른 회로 구성 요소에서 발생하는 모든 노이즈를 콘덴서. 이런 방식으로, 노이즈는 회로의 다른 부분에 영향을 미치지 않으므로 구성 요소의 성능을 개선하는 데 도움이 됩니다.

디커플링이 필요한 이유는 무엇인가?

디커플링이 중요한 이유와 인쇄 회로 기판에 디커플링이 미치는 영향은 다음과 같습니다.

고주파 소음 차단

이 구성 요소는 고주파 노이즈 신호를 억제하는 것입니다. RF 신호 등은 회로를 방해할 수 있습니다. 이는 집 근처에 옥상 물탱크가 물을 저장하는 것과 유사하며, 디커플링 커패시터는 장치 근처에 에너지를 저장합니다. 이는 다음과 같은 이유 때문입니다. 고주파 장치가 작동 중일 때 전류 흐름은 종종 회선에 존재하는 임피던스와 인덕턴스로 인해 지연됩니다. 그러나 디커플링 커패시터는 필요할 때 바로 장치에 전원을 공급하여 이 문제를 해결합니다. 그래서 작은 커패시터가 근처에 있는 것을 볼 수 있습니다. VCC 핀 회로 기판의 고주파 장치에 대해서.

활성 부품에 연속 전원 공급

언급했듯이, 요소를 켜거나 끌 때 음색이 나타나 전원선을 통과할 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 보드 전체에 퍼지는 노이즈를 발생시킵니다. 디커플링 커패시터는 이러한 구성 요소에 로컬 DC 전원을 공급합니다. 그러면 보드 전체에 퍼지는 노이즈를 줄일 수 있습니다. 이렇게 하면 접지 노이즈를 제거하여 회로가 안정되어 다른 구성 요소가 스위칭 작업에 방해받지 않습니다.

전압 변화를 부드럽게 하세요

장치에 필요한 전류가 갑자기 증가하면 전원 공급 장치의 전압이 떨어져 고장이나 손상으로 이어질 수 있습니다. 디커플링 커패시터는 에너지를 저장하고 리플 전압을 줄여주기 때문에 큰 도움이 됩니다. 전압을 조절하고 장치가 최적으로 작동하도록 하는 데 필요할 때 추가 전력을 공급할 수 있습니다.

신호 품질 개선

전송 중에 신호는 잡음과 간섭을 받을 수 있으며, 이는 신호에 포함된 정보를 변경합니다. 신호는 디커플링 커패시터를 사용하여 이 잡음을 필터링함으로써 의도한 대로 회로를 통과할 수 있습니다. 또한 회로에서 원하는 성능을 얻을 가능성을 높이는 데 도움이 되는데, 이는 회로에서 나오는 신호가 더 깨끗하기 때문입니다.

요소 간 결합 제거

때때로 한 구성 요소의 신호가 다른 구성 요소의 신호를 방해합니다. 이는 이러한 종류의 노이즈에 대한 장벽 역할을 합니다. 회로는 효율적으로 작동하고 모든 구성 요소가 올바른 방식으로 작동합니다.

디커플링에 사용되는 커패시터 유형

전해 커패시터

이러한 커패시터는 일반적으로 대량의 전류가 흐르는 회로에 통합됩니다. 정전 용량 필요합니다. 이들은 알루미늄이나 탄탈륨과 같은 금속 산화물로 구성된 유전체 층을 가지고 있습니다. 이러한 설계는 다음을 적합하게 만듭니다. 전원 회로 전압 조절과 전원 공급의 안정성을 돕는다. 에너지 밀도가 크기 때문에 안정적인 회로 작동을 보장하는 데 사용되며 대체할 수 없다.

세라믹 커패시터

이 커패시터는 디커플링에 매우 적합합니다. 고주파를 처리할 수 있는 기능이 있습니다. 크기가 작고 인덕턴스가 낮으며 안정성이 높습니다. 다양한 온도와 전압에서 잘 작동할 수 있습니다. 또한 ESR이 낮습니다. 이는 노이즈를 걸러내고 안정적인 성능을 제공합니다.

MLCC 표면 실장 커패시터

세라믹과 금속으로 만들어졌으며 여러 층이 있습니다. 높은 신뢰성으로 잘 알려져 있습니다. 고주파에서 좋은 성능을 발휘합니다. 또한 높은 전력 용량을 가지고 있습니다. 따라서 MLCC를 사용하는 동안 균열이 발생할 가능성이 있으며, 이는 단락이나 정전 용량 감소로 이어질 수 있습니다. 이러한 고장은 특히 기계적 응력이 높을 때 전체 회로에서 발생할 가능성이 높습니다. 문제를 방지하기 위해 고품질 MLCC를 사용하고 PCB가 응력이나 진동을 받지 않도록 설계하는 것이 좋습니다.

고주파 커패시터

회로에서 원치 않는 신호를 제거합니다. 일반적으로 다음으로 만들어집니다. 세라믹. 다른 사람에게 위험할 수 있는 고주파 신호를 관리하고 줄이는 데 사용됩니다. PCB의 구성 요소.

저주파 커패시터

저주파 신호의 노이즈 필터링에 사용됩니다. 이러한 커패시터, 예를 들어 탄탈륨 및 알루미늄 전해 유형은 전압 변동을 제어하는 데 필수적입니다. 전압 레벨러로 기능하며 회로에 해로울 수 있는 노이즈를 필터링하는 데 도움이 됩니다.

탄탈 콘덴서

높은 커패시턴스와 낮은 등가 직렬 저항이 필요할 때 저주파 디커플링에 가장 적합합니다. 제어 보드와 임베디드 전자 장치는 이러한 커패시터를 볼 수 있는 전자 장치입니다. 전압 공급을 조절하고 회로를 방해할 수 있는 모든 노이즈를 제거하는 데 사용됩니다.

알루미늄 커패시터

저주파 디커플링에 매우 적합합니다. 저렴하고 매우 높은 커패시턴스를 가지고 있습니다. 이러한 커패시터는 다양한 커패시턴스 범위에서 사용할 수 있으며 높은 커패시턴스 밀도를 특징으로 합니다. 작은 공간에 많은 커패시턴스를 저장할 수 있습니다.

필름 커패시터

고주파 및 저주파 디커플링용입니다. 그러나 몇 가지 단점이 있으며 전원 공급 필터링에 사용하기에 좋지 않습니다. 이는 일반적으로 권선되어 인덕턴스를 추가하고 전원 공급 노이즈를 필터링하는 능력에 문제가 있기 때문입니다.

PCB에서 디커플링 커패시터 사용 지침

최고의 결과를 위해 이러한 요소를 선택하고 장착하는 적절한 기술을 알아보세요. 신뢰할 수 있는 회로를 갖추기 위해 따라야 할 팁은 다음과 같습니다.

사용할 커패시터의 종류를 알아보세요

정전용량이 높고 ESR이 낮은 제품을 선택하세요.

올바른 커패시터 값을 선택하세요

숫자를 살펴보자 GND 그리고 VCC 핀은 회로의 I/O 신호와 결합됩니다. 자기 공진 주파수가 회로의 작동 주파수 범위에 가능한 한 가까워야 하는 커패시터를 선택해야 합니다. 자기 공진 주파수는 커패시턴스가 커패시터에서 인덕턴스로 전환되는 주파수입니다. 저주파에는 1-100µF를 사용합니다. 고주파 영역 커패시터의 경우 0.01-0.1µF를 사용합니다. 또한 선택한 커패시터가 높은 효율을 낼 수 있도록 낮은 ESR과 낮은 ESL을 갖는지 확인해야 합니다.

커패시터 크기 결정

디지털 PDN의 경우 커패시터를 어디에 배치해야 하는지 식별하는 것이 좋습니다. 크기는 스위칭 IC의 필요한 전하와 전력 공급 네트워크의 임피던스에 따라 결정됩니다. 특정 전압과 전류를 유지하기 위해 아날로그 PDN은 커패시터가 충전 및 방전되어야 합니다. 커패시터는 특정 주파수 범위에서 적용 가능하며 주파수에 따라 다르게 동작합니다.

디커플링 커패시터 계산

이를 계산하는 방법에는 두 가지가 있습니다.

방법 1

커패시터가 전력의 변화를 견딜 수 있을 만큼 충분히 커야 한다고 가정해 보겠습니다. 전류와 안정시키고 싶은 시간을 곱합니다. 이렇게 하면 사용할 적절한 크기를 알 수 있습니다. 그런 다음 이 숫자를 회로가 작동할 수 있는 최소 전압으로 나눕니다.

방법 2

다음 방법은 전자제품에 대한 지침을 보고 커패시터 크기를 확인하는 것입니다. 먼저 장치의 전력과 속도에 따라 간단한 계산을 합니다. 그런 다음 발생할 수 있는 모든 변경 사항을 인수로 곱하고 사용된 전원 핀으로 나눕니다. 이렇게 하면 모든 것을 확인하고 예상대로 실행하는 데 필요한 커패시터 크기를 알 수 있습니다.

IC 근처에 커패시터를 배치하세요

전자 장치를 가장 잘 작동시키려면 디커플링 커패시터를 IC에 가깝게 배치해야 합니다. IC는 전원이 필요한 부품이기 때문입니다. 이렇게 하면 커패시터가 IC 바로 옆에 있으므로 전원 트레이스를 최소화할 수 있습니다. 트레이스가 짧을수록 노이즈 간섭을 최소화하는 데 도움이 되며 이는 항상 좋은 일이며 전원이 깨끗합니다.

여러 개의 커패시터를 사용하세요

PCB에 많은 디커플링 커패시터를 두는 것이 좋습니다. 주파수를 필터링하려면 회로에서 다른 용량의 커패시터를 사용해야 하기 때문입니다. 예를 들어, 작은 세라믹 커패시터를 더 큰 전해 탄탈륨 커패시터와 병렬로 배치할 수 있습니다. 고잡음 및 저잡음 간섭을 처리하는 데 매우 효과적입니다.

접지면 사용

이것은 디커플링 커패시터로의 낮은 임피던스 경로를 형성하는 데 도움이 됩니다. 특히 고주파에서 작동하도록 의도된 회로의 경우 이 도구를 사용하십시오. 접지면을 사용하면 노이즈를 근절하고 회로의 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

디커플링 커패시터의 배치 고려 사항

다음은 커패시터를 올바르게 설치하는 방법에 대한 팁입니다.

소스 신호까지의 거리

디커플링하는 신호에 최대한 가깝게 배치합니다. 커패시터는 IC의 핀에 직접 장착해야 합니다. 입력 및 출력 신호의 경우 가까이에 배치하는 것이 좋습니다. 커넥터.

저주파 과도 현상 제거

커패시터를 트레이스의 연장선인 것처럼 배치합니다. 원하지 않는 저주파 신호는 거부하고 원하는 고주파 신호는 통과시킬 수 있습니다.

전원 핀 및 접지 배치

전원 핀과 접지 연결에 집중하세요. AC 노이즈를 줄이고 DC 전원을 안정적으로 만들기 위해 신호 경로와 병렬로 커패시터를 사용합니다. 이 구성은 전력 흐름 관리를 용이하게 하고 접지를 강화할 수 있는 잠재력이 있습니다.

고주파 노이즈 필터링

PCB의 고주파 노이즈 수준을 줄이려면 병렬 연결로 저항과 커패시터를 사용할 수 있습니다. 이 구성은 원치 않는 고주파 신호를 제거하는 동시에 저주파와 DC 신호를 통과시키는 데 유용합니다. 저항기 옆에 커패시터를 추가하면 노이즈를 제거하고 깨끗하고 안정적인 신호가 회로를 통과하도록 하는 필터를 구축할 수 있습니다.

커패시터를 비아에 연결하기

전원 플레인에 도달하기 위해 비아에 커패시터를 연결할 때 커패시터를 선택하여 구성 요소 핀에 직접 연결합니다. 그런 다음 커패시터를 비아에 놓습니다. 이렇게 하면 혼잡을 피하기 위해 전류가 전원 플레인을 잘 통과합니다.

아날로그 및 디지털 리턴 분리

그 목적을 위해 아날로그 및 디지털 신호의 접지를 분리하기 위해 디커플링 커패시터를 적용하는 것이 유용할 것입니다. 이러한 커패시터를 동일한 AC 접지와 디지털 접지 사이에 장착합니다. PCB의 레이어. 이 디자인은 다음을 보장합니다. 아날로그 및 디지털 신호가 서로 간섭하지 않으므로 잡음 간섭이 줄어듭니다.

건전한 접지 관행

여러 신호가 있는 보드에서 좋은 디커플링을 달성하려면 좋은 접지 기술을 사용해야 합니다. 그 외에도 커패시터가 적절하게 배치되었는지 확인하는 것이 좋습니다. 접지 시스템이 잘 되어 있어야 합니다. 또한 노이즈가 디커플링 커패시터에 영향을 미치지 않도록 하여 안정적으로 전력을 공급할 수 있습니다. 즉, 접지 평면을 적절하게 연결하고 신호가 나빠질 수 있는 접지 문제를 방지해야 합니다.

BGA 및 도그본 라우팅

IC를 다루는 경우 볼 그리드 어레이(BGA), 배치할 때는 추가 예방 조치를 취해야 합니다. 또 다른 영역은 전원과 접지면 사이에 단락을 두기 위해 마이크로비아를 적용하는 것입니다. 이 방법은 연결이 잘 보호되므로 좋은 연결을 쉽게 달성할 수 있습니다. 도그본 라우팅은 BGA 영역 주변으로 신호를 조정하는 데에도 사용할 수 있습니다.

PCB 디커플링 커패시터에 영향을 미치는 요소

따라서 PCB 디커플링 커패시터의 효율성을 정의하는 몇 가지 요소가 있습니다. 또한 다양한 배치 전략과 라우팅 기술과 성능에 미치는 영향도 살펴보겠습니다.

크기

커패시터의 크기는 사용할 커패시턴스 값의 양과 설계에서 커패시터를 통합할 수 있는 위치를 결정합니다. 또한, 설정한 성능 매개변수를 충족하지만 동시에 PCB 영역을 어지럽히지 않는 커패시터를 선택하는 것도 중요합니다.

주파수 대역

이는 커패시터가 다양한 신호 속도를 처리하는 데 얼마나 좋은지와 노이즈 신호를 방지하는 능력이 있는지를 나타냅니다. 세라믹 커패시터는 고주파 노이즈를 걸러내는 데 좋습니다. 탄탈륨 및 전해 커패시터는 실제로 효과적인 대역폭이 더 제한되어 있기 때문에 저주파 노이즈를 걸러내는 데 더 적합합니다.

커패시턴스 값

이것은 커패시터가 회로에 저장하거나 공급할 수 있는 에너지의 양을 정의합니다. 이것이 바로 회로에 적합한 커패시턴스 값을 선택해야 하는 것입니다. 커패시터의 커패시턴스가 낮으면 커패시터가 회로를 효과적으로 필터링할 수 없습니다. 너무 높으면 충전 및 방전이 매우 느려질 수 있으며 회로의 기능에 영향을 미칠 수도 있습니다.

ESR

이전에 언급된 모든 매개변수는 어떤 식으로든 ESR의 영향을 받습니다. 탄탈륨 커패시터는 ESR이 낮습니다. 이는 아날로그 회로에 좋습니다. 아날로그 회로에서는 안정성이 필수이기 때문입니다. 세라믹 커패시터는 ESR이 더 높음에도 불구하고 고주파 디지털 회로에 선호됩니다.

정격 전압

이 값은 커패시터에 적용될 수 있는 최대 전압을 나타내며, 커패시터가 전혀 손상되지 않습니다. 전압 정격이 낮으면 커패시터가 고장날 수 있습니다. 더 높은 전압 정격을 사용하면 누설 전류가 더 높아집니다. 또한 정전 용량에 약간의 변화가 생길 수도 있습니다.

온도 등급

이는 커패시터가 견딜 수 있는 온도를 나타내는 수치입니다. 또한 이 범위가 PCB의 온도 조건과 일치하는지 확인해야 합니다. 온도가 커패시터에 권장되는 한계를 초과하면 제대로 작동하지 않거나 전혀 작동하지 않을 수 있습니다.

디커플링 vs 바이패스 커패시터

이 두 커패시터는 주로 노이즈 없는 신호만 통과할 수 있는 입력 신호를 필터링하는 역할에 사용됩니다. 이러한 고주파 전류에 대한 접지로의 저임피던스 경로가 제공됩니다. 디커플링은 전압 변동을 제어하는 것을 의미합니다. 전원 공급 장치는 다른 신호를 방해하지 않습니다. 이는 전류 흐름을 제어하여 에너지를 일정한 양으로 유지하고 방출하는 데 사용됩니다. 바이패스 커패시터는 노이즈와 싸우는 반면 디커플링 커패시터는 전압과 싸웁니다. 설계에 두 유형을 모두 사용합니다.

디커플링 커패시터에 대한 몇 가지 추가 질문

위의 요점은 여러분이 논의할 수 있는 주제 중 일부이지만, 각 주제 이후에도 여전히 질문이 있을 수 있습니다. 디커플링 커패시터와 관련하여 접할 수 있는 몇 가지 질문에 대해 논의해 보겠습니다.

왜 디커플링 커패시터 두 개를 사용하나요?

두 개의 디커플링 커패시터는 PCB 개선에 도움이 됩니다. 더 큰 커패시터는 "뱅크" 또는 "벌크" 커패시터로 알려져 있으며 전압 과도 현상과 전력의 갑작스러운 급증을 처리하는 데 유용합니다. 반면에 더 작은 '바이패스' 커패시터는 고주파 노이즈를 처리하고 IC에 도달하지 않도록 합니다. 이러한 커패시터를 함께 배치하면 강점을 결합할 수 있습니다. 큰 커패시터는 전력을 공급하고 작은 커패시터는 노이즈를 차단합니다. 이 구성은 스위칭 과도 현상을 최소화하고 회로 절연을 향상시킵니다.

디커플링 커패시터가 고장나면 어떻게 되나요?

디커플링 커패시터가 나쁜 상태이면 회로에서 다음과 같은 문제에 직면할 수 있습니다. 회로 내에서 단락이 발생할 수 있습니다. 회로가 과열되고 심지어 보드가 타버릴 수도 있습니다. 드물게 커패시터가 고장나서 균열로 인해 보드 층에 균열이 생길 수 있습니다.

IC에 디커플링 커패시터를 꼭 사용해야 하나요?

네! 모든 IC에 디커플링 커패시터를 사용해야 합니다. 하나의 커패시터는 PCB에 있어야 합니다. 일반적으로 0.1µF입니다. IC 스위칭 중에 전류를 공급하여 전압 과도 현상을 흡수하는 수단을 제공합니다. 1µF 또는 10µF와 같이 더 큰 커패시터를 포함하도록 하세요. 디커플링 커패시터는 조절된 전압을 제공하는 데 도움이 되며 동시에 IC 작동에 영향을 줄 수 있는 노이즈 전압을 필터링합니다. 어떤 경우든 데이터시트를 살펴보는 것이 좋지만 문제 없이 최소한 하나의 커패시터를 사용할 수 있습니다.

신호 및 전력 무결성을 위해 디커플링 커패시터를 어디에 설치해야 할까요?

커패시터를 전원 핀과 접지에 연결하고 커패시터의 커패시턴스를 관찰합니다. 고주파 EMI를 최소화하기 위해 커패시터는 직렬로 연결해야 합니다. 저항기. 우수한 성능을 위해 커패시터는 가능한 한 신호 소스에 가깝게 배치해야 합니다. I/O 신호 트레이스의 경우 직렬 연결로 커패시터를 사용해야 합니다. 최상의 결과를 얻으려면 디지털 및 아날로그 접지 퍼와 같은 층에 배치해야 합니다.

맺음말

따라서 이 글에서는 디커플링 커패시터가 무엇이고, 최상의 신호 및 전력 무결성을 위해 어디에 어떻게 구현해야 하는지 살펴보았습니다. 논의된 주제 중 일부에는 커패시턴스 값, ESR 및 온도를 포함한 커패시터 매개변수와 커패시터 고장 및 회로에서 여러 커패시터 사용과 같은 몇 가지 문제가 포함됩니다.

개요

디커플링 커패시터란 무엇인가?