(1) MCU デカップリング設計の概要
参考資料はインターネットから入手します。
1。概要
マイクロコントローラーや IC 回路のピンに 1 つまたは複数のセラミック コンデンサが配置されているのをよく見かけますが、これらは主に MCU 電源のパワー インテグリティ PI を強化し、PDN インピーダンスを低減し、MCU のノイズ耐性を向上させるために使用されます。 MCU の外部ノイズを低減します。放射 EMI。
後で、バイパス コンデンサ、デカップリング コンデンサ、磁気ビーズ インダクタ、狭義の LC/PI フィルタなどのデカップリング回路部品について簡単に説明し、高性能デカップリング回路を構築し、性能を向上させるための適切な部品の選択方法を理解します。回路性能、PI/SI/EMC特性。
2. MCU にデカップリングが必要な理由
2.1 デカップリング回路の概要
電源と MCU 間の接続には、さまざまな種類のコンデンサ、磁気ビーズ インダクタ、その他のフィルタ デバイスが使用され、形成されるデカップリング回路には主に 3 つの機能があります。
1 つは、MCU 内で生成される EMI 放射を抑制するか、外部干渉ノイズが MCU に入るのを回避すること、もう 1 つは、MCU の
動作と電圧維持のために過渡電流を提供すること、
3 つ目は、信号の完全性を向上させるための信号リターンのチャネルとして機能することです。 。
MCU システムレベルボード上のデカップリング回路が機能しない場合、次の問題が発生します。
∎ 外部から妨害ノイズが侵入し、MCU が他の IC からのノイズ妨害を受けて動作不良を起こす
∎ ノイズ漏れがあり、MCU 内での EMI 輻射が規格を超える ∎
電源電圧の変動により MCU の動作が妨害される、シグナルインテグリティが低下し、信号ラインにノイズが発生する 重畳; 信号ライン上のリターンパスが長くなり、シグナルインテグリティが低下します。
2.2 電源ノイズの原因
MCU などのほとんどのデジタル IC は回路 CMOS テクノロジーを使用しており、電源 VDD またはグランド GND に切り替えることで、信号をハイ「1」またはロー「0」に設定できます。図に示すように、単一の CMOS インバータを例とした CMOS インバータ回路の簡略化モデルでは、Vin が Low「0」に切り替わると、上側の PMOS がオンになり、ゲート コンデンサが充電され、Vout が出力されます。ハイ「1」; Vin がハイ「1」に切り替わると、ローサイド NMOS がオンになり、ゲートコンデンサが放電され、Vout はロー「0」を出力します。CMOS インバータがハイレベルとローレベルを切り替えるとき、図 2-2. CMOS インバータの寄生電流に示すように、寄生電流が電源 VDD とグランド GND に流れます。インダクタなどの高周波デバイスの多くはエネルギーを外部に放射し、ノイズ故障の原因になったり、外部電源の変動を引き起こして他の IC に影響を与えたりします。
通常、MCUの電源に流れる電流を制御するには、MCUの電源端子とGND端子の間にデカップリングコンデンサを接続する必要がありますが、効果的なデカップリング回路を構成するには、主に以下の点を追加する必要があります。
∎ 高周波範囲で動作できるバイパスを記述するには、より小さな ESR コンデンサを使用します;
∎ 寄生電流の流れの範囲を厳密に制限し、コンデンサを MCU の近くに取り付けます;
∎ レイアウト、特に IC の寄生インダクタンスを小さく保ちます。間のコンデンサ。
2.3 挿入損失
通常、ノイズ除去性能を表すのにフィルタの挿入損失ILが用いられますが、電源のデカップリング回路もフィルタの一種であるため、そのノイズ除去性能は挿入損失で表すことができます。
挿入損失ILは、インピーダンス50Ωの回路にフィルタを設置した場合の効果で表され、フィルタ設置前後の出力電圧の差をdB単位で表します。挿入損失が大きいほどノイズ抑制効果が高くなります。挿入損失は、50Ω システムの S パラメータ伝達係数 S21 の絶対値で置き換えることができます。写真のように
2.4 デカップリング回路の概要
Cタイプフィルタ（デカップリングコンデンサ）としてバイパスコンデンサが広く使われていますが、Cタイプフィルタのインピーダンスが下がると挿入損失ILが増加します。コンデンサのインピーダンスは周波数に反比例しローパスフィルターとなり、理想的には周波数が高くなるほど挿入損失が大きくなります。
Cタイプの他にLCタイプとPIタイプのフィルタがあり、CタイプのフィルタをベースにしてMCUのリモート電源ラインにインダクタ/磁気ビーズを繋ぐとLCフィルタになります。LCフィルタをベースに、リモコンにコンデンサを組み合わせたPI型フィルタです。図に示すように:
図 2-5 MCU のパワーフィルタ構成 (b) および © に示すように、コンデンサとインダクタを組み合わせると、コンデンサのみを使用した場合に比べて挿入損失特性曲線の傾きが急になります。減衰領域では挿入損失も同時に増加するため、ノイズを大きく減衰させる必要がある場合にこの方法が有効です。図 2-6. 磁性ビーズ追加後のフィルタ挿入損失の例 インダクタを追加した場合の挿入損失の変化の例を示します。
MCU の GND 端子と直近のコンデンサ GND がノイズのリターンパスとなるため、両者の距離をできるだけ短くしてインピーダンスを下げる必要があり、CLC-PI フィルタを配置する場合はジグザグに配置するとよいでしょう。コンデンサ GND が VIA で分離されるように、両側にコンデンサを配置します。PI タイプと LC フィルタリングは干渉ノイズに対する挿入損失が大きいため、干渉対策 EMS が MCU を保護する場合、デカップリング回路を組み合わせた方が強力な干渉に対処するのに効果的です。