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Nr 43 2022 www markttechnik de 17 der äquivalente Serienwiderstand ESR Bei dieser Frequenz ist es am einfachsten Ladung in den Kondensator einzuspeichern und sie zur Unterstützung der Schaltvorgänge zu entnehmen Bei Werten oberhalb und unterhalb der Reihenresonanz kann der Kondensator nicht an den Schaltvorgängen teilnehmen Die Kurven in Bild 8 zeigen die Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz für Kondensatoren mit 1 µF 0 1 µF und 0 01 µF die in den meisten Anwendungshinweisen der IC-Hersteller üblicherweise angegeben werden Zu beachten ist dass der 1-µF-Kondensator eine Serienresonanz bei etwa 5 MHz hat der 0 1-µF-Kondensator bei etwa 18 MHz und der 0 01-µF-Kondensator bei etwa 40 MHz Diese Frequenzen gelten für die Kondensatoren bevor sie auf eine Leiterplatte montiert werden Die für die Verbindung mit den Leistungsebenen erforderlichen Leiterbahnen Vias und Kontaktflächen bringen zusätzliche Induktivität und verringern die Serienresonanzfrequenzen Keiner der üblicherweise spezifizierten Kondensatoren ist in der Lage die in Bild 5 dargestellte Frequenz mit seiner Resonanzfrequenz zu erreichen was zu einer übermäßigen Welligkeit der Versorgungsspannung U Bund damit zu möglichen EMI-Problemen führt Lösung des Problems der unzureichenden Kondensatorleistung Die vorangegangene Betrachtung hat gezeigt dass die üblicherweise in Anwendungshinweisen spezifizierten Kondensatoren nicht die hochfrequenten Schaltströme liefern können die für High-Speed-Logikschaltungen erforderlich sind Nach Todd Hubing besteht die Lösung darin der Leiterplatte eine interplanare Kapazität hinzuzufügen um die von den schnell schaltenden Schaltkreisen benötigte Ladung zu liefern Warum funktioniert die interplanare Kapazität Einzelkondensatoren hingegen nicht? Die Antwort lautet dass die parasitäre Induktivität von eng beieinander liegenden Ebenenpaaren weitaus geringer ist als das was Einzelkondensatoren erreichen können Als Ergebnis dieser Beobachtung haben die PDS-Ingenieure PCB-Aufbauten entworfen um eine ausreichende interplanare Kapazität zur Unterstützung aller schnellen Schaltvorgänge in einem Leiterplattendesign zu gewährleisten Ersetzen der fehlenden interplanaren Kapazität in vierlagigen PCBs Beim Blick auf den PCB-Aufbau in Bild 1 lässt sich erkennen dass die beiden Innenlagen so weit voneinander entfernt sind dass die Kapazität zwischen den Lagen gering oder gar nicht vorhanden ist Wie kann ein solcher Lagenaufbau dann sehr schnelle Schaltvorgänge auf Bussen wie DDR und PCI unterstützen? Tatsächlich ist dieses Problem den Herstellern von Prozessoren und Speicher-ICs wie Intel und AMD schon sehr lange bekannt Und sie haben das Problem gelöst indem sie die erforderliche Kapazität zur Unterstützung dieser Schaltvorgänge im IC-Gehäuse und auf dem Die selbst integriert haben PCB-Designer müssen sich die IC-Datenblätter und Anwendungshinweise anschauen um festzustellen ob eine solche Kapazität in den ICs selbst vorgesehen ist oder nicht Bei den meisten anderen ICs wie z B FPGAs ist dies nicht der Fall Folglich werden Schaltungen die diese Art von ICs enthalten auf einer vierlagigen Leiterplatte nicht funktionieren In letzter Zeit haben jedoch einige der FPGA-Hersteller damit begonnen Kondensatoren auf das Die und in das Gehäuse zu integrieren um die Funktion ihrer Bauelemente auf vierlagigen Leiterplatten zu verbessern Zusätzliche Anmerkungen zum Hinzufügen von interplanarer Kapazität Bild 9 zeigt den Aufbau einer typischen sechslagigen Leiterplatte Die linke Darstellung zeigt den Aufbau in seiner ursprünglichen Form bei dem die Baugruppe aufgrund fehlender interplanarer Kapazität die EMI-Tests nicht bestanden hat Die rechte Darstellung zeigt den gleichen Lagenaufbau nachdem die nicht genutzten Bereiche der vier Signallagen mit Kupfer gefüllt wurden Die sechs Lagen des Leiterplattenaufbaus aus Bild 9 mit den mit zusätzlichen Flächen gefüllten Signallagen sind in Bild 10 dargestellt Die Kupferfüllungen die auf jeder der vier Signal lagen aufgebracht werden sind mit den entsprechenden Stromversorgungslagen verbunden Dadurch liegt die Stromversorgungsebene nahe an einer Ebene mit entgegengesetzter Polarität auf der angrenzenden Leiterplattenlage sodass ein interplanarer Kondensator entsteht der vorher nicht vorhanden war Auf diese Weise lassen sich fünf Kondensatoren erstellen wie in Bild 9 rechts dargestellt im Gegensatz zu nur einem wie in Bild 9 links Das Ergebnis könnte möglicherweise eine Erhöhung der Ebenenkapazität von zuvor nur 0 5 nF Bild 9 links auf mehr als 4 nF Bild 9 rechts sein In Bild 11 sind die Vorherund Nachher-Ergebnisse eines EMI-Tests der Baugruppe mit der Leiterplatte aus Bild 10 dargestellt Die blauen Frequenzen zeigen die EMI vor dem Hinzufügen der in Bild 8 gezeigten Signallagen mit Kupferfüllung und die roten Frequen-Bild 5 Fourier-Transformation des Stromsignals der Übertragungsstrecke nach Bild 2 Bi ld Spe ed in g Ed ge Bild 6 Ersatzschaltung eines Kondensators Bild 7 Impedanz der Kondensator-Ersatzschaltung aus Bild 6 in Abhängigkeit von der Frequenz Bild Speeding Edge Bild Speeding Edge Bild 8 Im Datenblatt eines Kondensatorherstellers angegebener Impedanzverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz für MCC-Kondensatoren Multilayer Ceramic Chip mit 1 µF 0 1 µF und 0 01 µF Bild Kem et