Colocación: por qué importa la distancia y cuánto

¿Cómo de cerca tiene que estar un condensador de desacoplo?

Lo bastante cerca como para que la inductancia del lazo se quede dentro del presupuesto que calculaste en la lección 2. Ésa es toda la regla, y es la única forma de la regla que sobrevive al contacto con una placa real.

Resulta insatisfactoria porque no te da un número. Pero cualquier respuesta que sí dé un número único —«a menos de 3 mm», «a menos de 10 mm»— esconde las variables que de verdad deciden: el dI/dt de tu dispositivo, la caída que admites, tu stackup, la geometría de tus vías y tu encapsulado. Cambia cualquiera de ellas y la distancia cambia con ella.

Lo que sigue es cómo trabajar con eso honestamente.

Por qué «a menos de X mm» engaña

Piensa en dos placas. Las dos colocan un condensador de 100 nF a 3 mm del pin del dispositivo.

En la primera, el par de planos está a 0,2 mm de la superficie y las vías están pegadas a las almohadillas. El lazo baja de un nanohenrio, y 3 mm es holgadamente cerca.

En la segunda, el par de planos está a 1,5 mm, el condensador sale por pista de 0,25 mm hasta unas vías a 2 mm, y el retorno cruza un hueco del plano. El lazo son varios nanohenrios. El condensador está a la misma distancia y es mucho menos eficaz.

Los mismos milímetros. Circuitos distintos. La distancia por la superficie es un mal sustituto de lo que importa, que es el área encerrada por el lazo, y casi toda esa área suele ser vertical: bajar por el stackup y volver.

Por eso la guía de los fabricantes tiende a ser específica de cada dispositivo y no general. Cuando TI especifica el desacoplo de un MSP430 concreto, por ejemplo, nombra los valores y también una colocación a pocos milímetros de los pines a los que sirven; pero eso es guía para ese dispositivo, atada a su comportamiento caracterizado, no una ley natural que puedas llevarte a otro chip.

Donde la hoja de características te dé una distancia, usa la de la hoja. La produjo gente que midió esa pieza.

Un orden de colocación que funciona

Cuando no puedes medir, coloca por prioridad. La posición más cercana al pin va para el condensador cuyo trabajo dependa más de la distancia.

1. El más pequeño y de menor ESL, el más cerca. El contenido de alta

frecuencia es lo que la distancia destruye antes. El 100 nF en 0402 gana el mejor sitio frente al 10 µF en 0805.

1. En la misma cara que el dispositivo, si el salto de vía lo permite.

Montar en la cara opuesta puede estar bien, y a veces es mejor, cuando el par de planos está cerca de esa superficie: lo que cuenta es la distancia vertical, no en qué cara está la pieza.

1. La capacidad de granel puede estar más lejos. Trabaja a frecuencias en

las que unos milímetros de pista son eléctricamente invisibles.

1. Prioriza los pines más ruidosos. Las alimentaciones del núcleo y los

bancos de E/S que mueven buses anchos necesitan los buenos sitios más que un raíl analógico tranquilo.

Ese orden importa más que cualquier distancia absoluta, porque reparte tus escasas buenas posiciones entre los condensadores que pueden aprovecharlas.

Cuando no hay sitio

En un BGA de paso fino a menudo no hay dónde poner un condensador cerca del pin. Es una restricción real, no una falta de esfuerzo, y los fabricantes lo reconocen: la propia guía de TI para encapsulados de paso fino señala que la vieja regla de un condensador por pin de alimentación resulta casi imposible por debajo de aproximadamente 1,0 mm de paso, y que hay que sustituirla por una colocación y una elección de valores prácticas.

Qué hacer en su lugar, más o menos por orden de coste:

Montar en la cara opuesta, justo debajo del campo de pines. El salto de vía es vertical y corto. Suele ser la primera y mejor respuesta.

Usar el propio par de planos. Unos planos de alimentación y masa muy próximos forman un condensador prácticamente sin inductancia de montaje. Su valor es pequeño, pero funciona a frecuencias donde no funciona ninguna pieza discreta. Acercar el par de planos suele ser el cambio de mayor rendimiento disponible en el momento del stackup.

Aceptar menos condensadores, mejor montados. Cuatro condensadores con un montaje excelente ganan a doce con un montaje malo. La cantidad no es la figura de mérito.

Reducir la demanda. Flancos más lentos, menos corriente de salida en buses anchos, conmutación escalonada. Es una palanca de firmware y de configuración de pines que los ingenieros de hardware olvidan a menudo que tienen.

Una tabla de decisión

Puntos de partida para diagnosticar, no un sustituto de medir tu propia placa.

El error que parece diligencia

Espolvorear condensadores. Una placa con cuarenta piezas de 100 nF, todas saliendo por 0,5 mm de pista hacia vías compartidas, ha gastado cuarenta colocaciones y cuarenta líneas de compra en construir cuarenta lazos mediocres en paralelo.

Los lazos en paralelo sí ayudan —las inductancias en paralelo se dividen—, pero dividen un número grande. Diez lazos de 3 nH en paralelo dan 0,3 nH sólo si son verdaderamente independientes, y unos condensadores que comparten vía no son independientes en absoluto. La guía de layout de PDN de TI para una de sus plataformas de procesador es explícita: recomienda aproximadamente una vía por pin cuando es posible y desaconseja expresamente compartir vías entre varios condensadores.

El movimiento de ingeniería es hacer unos pocos lazos excelentes, no muchos lazos aceptables.

Qué viene después

La lección 5 baja al milímetro: los patrones concretos de almohadilla y vía que mantienen baja la inductancia de montaje, con las geometrías que funcionan y las habituales que, calladamente, no.

Las distancias y las inductancias de esta lección son ilustrativas. La hoja de características de tu dispositivo manda, y donde especifique una distancia de colocación o un valor de condensador, ese número se caracterizó contra ese silicio y esta lección no.

Fuentes y lecturas recomendadas

Texas Instruments — SPRABV2: BGA PCB Design and Decoupling Texas Instruments — SPRACE6: PDN Analysis and Layout Guidance * Analog Devices — MT-101: Decoupling Techniques