จะวางตัวเก็บประจุในการออกแบบ PCB อย่างไร?

ตัวเก็บประจุมีบทบาทสำคัญในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง และมักเป็นอุปกรณ์ที่ใช้มากที่สุดบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยทั่วไปแล้วตัวเก็บประจุจะแบ่งออกเป็นตัวเก็บประจุแบบกรอง ตัวเก็บประจุแบบแยกวงจร ตัวเก็บประจุแบบกักเก็บพลังงาน เป็นต้น

1.ตัวเก็บประจุเอาต์พุตกำลังไฟฟ้า ตัวเก็บประจุตัวกรอง

โดยทั่วไปเราจะเรียกตัวเก็บประจุของวงจรอินพุตและเอาต์พุตของโมดูลพลังงานว่าตัวเก็บประจุกรอง ความเข้าใจง่ายๆ คือตัวเก็บประจุช่วยรักษาเสถียรภาพของแหล่งจ่ายไฟอินพุตและเอาต์พุต ในโมดูลพลังงาน ตัวเก็บประจุกรองควรมีขนาดใหญ่ก่อนขนาดเล็ก ดังที่แสดงในภาพ ตัวเก็บประจุกรองจะถูกจัดวางให้มีขนาดใหญ่และมีขนาดเล็กตามลำดับตามทิศทางของลูกศร

wps_doc_0

เมื่อออกแบบแหล่งจ่ายไฟ ควรสังเกตว่าสายไฟและผิวทองแดงมีขนาดกว้างเพียงพอ และจำนวนรูก็เพียงพอที่จะรับประกันความสามารถในการไหลของกระแสไฟฟ้าให้ตรงกับความต้องการ ความกว้างและจำนวนรูจะถูกประเมินควบคู่ไปกับกระแสไฟฟ้า

ความจุอินพุตพลังงาน

wps_doc_1

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าอินพุตจะสร้างวงจรกระแสร่วมกับวงจรสวิตชิ่ง วงจรกระแสนี้จะแปรผันตามแอมพลิจูดขนาดใหญ่ แอมพลิจูด Iout ความถี่คือความถี่สวิตชิ่ง ในระหว่างกระบวนการสวิตชิ่งของชิป DCDC กระแสที่เกิดจากวงจรกระแสนี้จะเปลี่ยนแปลงไป รวมถึง di/dt ที่เร็วขึ้นด้วย

ในโหมด BUCK แบบซิงโครนัส เส้นทางกระแสไฟต่อเนื่องควรผ่านพิน GND ของชิป และตัวเก็บประจุอินพุตควรเชื่อมต่อระหว่าง GND และ Vin ของชิป ดังนั้น เส้นทางจึงอาจสั้นและหนาได้

wps_doc_2

พื้นที่ของวงแหวนกระแสไฟฟ้านี้มีขนาดเล็กเพียงพอ การแผ่รังสีจากภายนอกของวงแหวนกระแสไฟฟ้านี้จะดีขึ้น

2.ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน
พินจ่ายไฟของไอซีความเร็วสูงจำเป็นต้องมีตัวเก็บประจุแบบแยกตัว (decoupling capacitor) เพียงพอ โดยควรใช้หนึ่งตัวต่อพิน ในการออกแบบจริง หากไม่มีพื้นที่สำหรับตัวเก็บประจุแบบแยกตัว ก็สามารถลบออกได้ตามความเหมาะสม
ความจุแยกของพินแหล่งจ่ายไฟ IC มักจะมีค่าต่ำ เช่น 0.1μF, 0.01μF เป็นต้น แพ็คเกจที่เกี่ยวข้องก็มีขนาดค่อนข้างเล็กเช่นกัน เช่น แพ็คเกจ 0402, 0603 เป็นต้น เมื่อติดตั้งตัวเก็บประจุแยก ควรคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้
(1) วางให้ใกล้กับพินแหล่งจ่ายไฟมากที่สุด มิฉะนั้นอาจไม่เกิดผลการแยกตัว ในทางทฤษฎี ตัวเก็บประจุมีรัศมีการแยกตัวที่แน่นอน ดังนั้นควรปฏิบัติตามหลักการของระยะห่างอย่างเคร่งครัด
(2) ตัวเก็บประจุแยกตัวกับสายพินของแหล่งจ่ายไฟควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และสายพินควรมีความหนา โดยทั่วไปความกว้างของสายจะอยู่ที่ 8 ~ 15 มิล (1 มิล = 0.0254 มม.) วัตถุประสงค์ของการทำให้หนาขึ้นคือเพื่อลดความเหนี่ยวนำของสายพินและเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟ
(3) หลังจากนำขาแหล่งจ่ายไฟและขากราวด์ของตัวเก็บประจุแยกออกจากแผ่นเชื่อมแล้ว ให้เจาะรูบริเวณใกล้เคียงและเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟและแผ่นกราวด์ ควรเพิ่มความหนาให้สายนำไฟฟ้า และให้รูมีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะทำได้ หากสามารถใช้รูที่มีขนาด 10 มิลได้ ไม่ควรใช้กับรูขนาด 8 มิล
(4) ตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรแยกมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

3.ตัวเก็บประจุเก็บพลังงาน
บทบาทของตัวเก็บประจุเก็บพลังงานคือการทำให้มั่นใจว่า IC สามารถจ่ายพลังงานได้ในเวลาอันสั้นที่สุดเมื่อใช้ไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้วความจุของตัวเก็บประจุเก็บพลังงานจะมีขนาดใหญ่ และบรรจุภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องก็มีขนาดใหญ่เช่นกัน ในแผงวงจรพิมพ์ ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานอาจอยู่ห่างจากอุปกรณ์ได้ แต่ไม่มากเกินไป ดังที่แสดงในภาพ โหมดพัดลมของตัวเก็บประจุเก็บพลังงานทั่วไปแสดงในภาพ

wps_doc_3

หลักการของรูพัดลมและสายเคเบิลมีดังนี้:
(1) ตัวนำต้องสั้นและหนาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้มีค่าเหนี่ยวนำปรสิตน้อย
(2) สำหรับตัวเก็บประจุเก็บพลังงานหรืออุปกรณ์ที่มีกระแสเกินขนาดใหญ่ ให้เจาะรูให้ได้มากที่สุด
(3) แน่นอนว่าประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีที่สุดของรูพัดลมคือรูดิสก์ ความเป็นจริงต้องได้รับการพิจารณาอย่างครอบคลุม