Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 44) – Gestione dei transitori di carico di/dt elevati (parte 1)

Le specifiche per le alimentazioni delle unità di elaborazione centrale (CPU), richiedono che l’alimentazione sia in grado di fornire elevate correnti di uscita con una variazione rapida di carico seguendo così i cambiamenti repentini di modalità operativa del processore.

Ad esempio, in un sistema a 1 volt, per un transitore di carico da 100 A/uS può essere richiesto di stabilizzare la tensione di alimentazione entro il 3%. La chiave per risolvere questo problema sta nel capire che non si tratta soltanto di un problema di alimentazione, ma coinvolge anche il sistema di distribuzione dell’alimentazione, pertanto tali due aspetti devono essere combinati nella soluzione.

I requisiti di/dt elevati implicano che la sorgente della tensione debba presentare un’induttanza molto bassa. Riordinando l’espressione seguente e arrivando a una soluzione basata sul valore della induttanza richiesta , è possibile affermare che:

Possono essere presenti solo 0,3 nH di induttanza sulle piste di alimentazione. Per il confronto, l’induttanza di una pista di PCB a quattro layer larga 0,25 cm, , è pari a circa 0,3 nH/cm. L’induttanza tipica di una saldatura all’interno di un package di un circuito integrato è circa 1 nH, mentre i vias in un circuito stampato sono circa 0,2 nH.

Fig. 1 – La presenza di parassiti nell’impedenza dei condensatori in parallelo riduce l’efficacia

È inoltre presente un’induttanza di serie associata ai condensatori di bypass, come illustrato nella figura 1. La curva superiore rappresenta l’impedenza di un singolo condensatore in ceramica da 22 uF, X5R, 16 V, 1210 montato su una scheda di circuito a quattro strati. Come previsto, sotto i 100 kHz, l’impedenza cala con l’incremento della frequenza. Tuttavia, è presente una risonanza di serie a 800 kHz in cui il condensatore inizia a diventare induttivo. L’induttanza, che può essere calcolata dal valore del condensatore e dalla frequenza risonante, equivale a 1,7 nH, ben oltre il nostro obiettivo di 0,3 nH.

Fortunatamente, è possibile mettere in parallelo i condensatori per ridurre il valore ESL effettivo. La curva inferiore nella figura 1 rappresenta l’impedenza di due condensatori paralleli, che mostrano una riduzione nell’impedenza. Un aspetto interessante è che la variazione della risonanza è risultata leggermente inferiore a quanto previsto, a indicare che l’induttanza effettiva non è esattamente pari a metà. In base alla frequenza risonante, la nuova induttanza è di 1,0 nH o una riduzione del 40% nell’ESL per due induttori in parallelo, diversamente dal calo previsto, pari al 50%. Tale effetto può essere attribuito a due cause: l induttanza del vias e quella dei due condensatori.

Tabella 1 – Le dimensioni dei condensatori SMT in ceramica influisce sull’induttanza parassita

Le dimensioni del loop di corrente determina l’induttanza parassita nei componenti connessi e, fino a un certo livello, le dimensioni dei componenti determinano l’area del circuito chiuso. La correlazione tra tali dimensioni e l’induttanza risulta evidente nella tabella 1, che mostra l’induttanza dei condensatori per varie dimensioni dei condensatori montati con superficie in ceramica. In genere, i condensatori di dimensioni maggiori presentano induttanze superiori.

Questa tabella non include gli effetti dei condensatori di montaggio su una scheda di circuito, che nelle nostre precedenti misurazioni hanno incrementato l’induttanza da 1 nH a 1,7 nH. Un altro aspetto interessante è che la posizione delle terminazioni ha un impatto significativo sull’induttanza. Il condensatore 0805 presenta terminazioni sul lato più corto del condensatore, mentre nel condensatore 0508 queste sono presenti sul lato più lungo. Ciò porta quasi a dimezzare il percorso della corrente, ampliandolo allo stesso tempo e comportando una riduzione significativa dell’induttanza. Tale configurazione alternata si traduce in una riduzione da quattro a uno nell’induttanza.

Riepilogando, i carichi di/dt elevati richiedono dimensionamento del bypass per preservare la regolazione dinamica dell’alimentazione. I condensatori montati in superficie devono essere montati il più possibile vicini al carico, al fine di ridurre al minimo la loro induttanza di interconnessione. I condensatori presentano un’induttanza parassita in grado di impedire un disaccoppiamento adeguato. La messa in parallelo dei condensatori risulta efficace per ridurre tale induttanza parassita, tuttavia l’interconnessione e l’induttanza reciproca ne riducono l’impatto. Anche l utilizzo di condensatori di piccole dimensioni si rivela efficace. Tale obiettivo può essere raggiunto utilizzando componenti più piccoli, che sfruttano le dimensioni ridotte per il loop di corrente.

Nella seconda parte saranno analizzati i carichi dei transitori di carico di/dt elevati e le relative implicazioni nella progettazione dei sistemi di alimentazione. Considereremo sia i bypass sia le alimentazioni.

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Robert Kollman, Texas Instruments

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