Kondensatory odsprzęgające: jaki rozmiar i ile?

Obecnie wiele układów wymaga wygładzania kondensatorów między VCC a GND, aby zapewnić prawidłowe działanie. Biorąc pod uwagę, że moje projekty przebiegają na różnych poziomach napięcia i prądu, zastanawiałem się, czy ktoś miał jakieś zasady dotyczące a) ile i b) jaki rozmiar kondensatorów należy zastosować, aby zapewnić, że tętnienie zasilania nie wpływa na moje obwody?

Musisz dodać jeszcze kilka pytań - (c) jakiego dielektryka powinienem użyć i (d) gdzie umieścić kondensator w moim układzie.

Ilość i rozmiar różnią się w zależności od aplikacji. W przypadku elementów zasilających ESR (efektywna rezystancja szeregowa) jest elementem krytycznym. Na przykład arkusz danych LDO MC33269 wymienia zalecenie ESR od 0,2O do 10 Ohm. Dla stabilności wymagana jest minimalna ilość ESR.

Do większości układów logicznych i wzmacniaczy operacyjnych używam ceramicznego kondensatora 0,1 uF. Kondensator umieszczam bardzo blisko układu scalonego, tak aby droga kondensatora do ziemi była bardzo krótka. Używam rozległych płaszczyzn uziemienia i mocy, aby zapewnić ścieżki o niskiej impedancji.

W przypadku elementów zasilających i wysokoprądowych każda aplikacja jest inna. Postępuję zgodnie z zaleceniami producenta i umieszczam kondensatory bardzo blisko układu scalonego.

Do masowego filtrowania mocy wejściowych wchodzących na płytę zwykle używam ceramicznego kondensatora X7R o pojemności 10uF. Znowu zależy to od aplikacji.

Jeśli nie ma minimalnego wymogu ESR dla stabilności lub potrzebuję bardzo dużych wartości pojemności, użyję dielektryków X7R lub X5R. Pojemność zmienia się w zależności od napięcia i temperatury. Obecnie nie jest trudno uzyskać niedrogie kondensatory ceramiczne 10uF. Nie trzeba przesadnie określać napięcia znamionowego kondensatorów ceramicznych. Przy napięciu znamionowym pojemność mieści się w zakresie tolerancji. Dopóki nie zwiększysz napięcia powyżej przebicia dielektrycznego, tracisz tylko pojemność. Zazwyczaj wytrzymałość dielektryczna jest 2 do 3 razy większa od napięcia znamionowego.

Istnieje bardzo dobra nota aplikacyjna na temat uziemienia i odsprzęgania autorstwa Paula Brokawa, zatytułowana „Przewodnik użytkownika wzmacniacza IC na temat odsprzęgania, uziemiania i poprawiania sytuacji”.

Używam następujących zasad kciuka dla moich obwodów cyfrowych:

Każda para pinów zasilacza powinna mieć ceramiczny kondensator 100nF X7R. Powinien być jak najbliżej szpilek. Najlepiej jest, jeśli linia zasilająca przechodzi najpierw przez kondensator, zanim dotrze do styku, ale przez większość czasu nie jest to konieczne.

Kondensatory w układach scalonych nie mają nic wspólnego z tętnieniem od zasilacza. Są one potrzebne do oddzielenia , to znaczy, aby zaspokoić szybkie zmiany prądu zasilania dla odpowiedniego układu scalonego. Przewody z zasilacza do układu scalonego są stosunkowo długie i mają pewną indukcyjność, co zapobiega szybkim zmianom prądu. Napięcie zasilania na układzie scalonym może wówczas wyjść poza zakres, a układ scalony może fałszywie działać nieprawidłowo lub w skrajnych przypadkach ulec uszkodzeniu.

Wejście i wyjście regulatora napięcia powinno uzyskać kondensator zgodny z jego arkuszem danych, w szczególności z prawidłową wartością rezystancji szeregowej (ESR). Jeśli zrobisz to źle, regulator może oscylować, szczególnie w przypadku regulatorów niskiego napięcia (LDO).

Dla obwodów analogowych X7R może nie być odpowiednim materiałem, ponieważ ma stosunkowo duży efekt piezoelektryczny. Oznacza to, że wibracje mechaniczne mogą powodować zmiany napięcia i odwrotnie. C0G jest pod tym względem lepszy. Chociaż to zastrzeżenie dotyczy głównie ścieżek sygnałowych.

Jak powiedziałem w komentarzu, prawdopodobnie masz na myśli kondensatory odsprzęgające , a nie kondensatory wygładzające.

Odsprzężenie kondensatorów nie ma na celu pozbycia się tętnienia zasilacza, ale złapanie trzasków. Układ scalony może potrzebować dużo dodatkowego prądu przez krótki czas, na przykład, gdy tysiące tranzystorów przełączają się w tym samym czasie. Indukcyjność śladów na płytce drukowanej może uniemożliwić, że zasilacz zapewni to tak szybko. Tak więc kondensatory odsprzęgające są używane jako lokalne bufory energii, aby temu zaradzić.

Oznacza to, że nie jest łatwo obliczyć, jaką wartość powinny mieć kondensatory. Wartość zależy od indukcyjności śladów na płytce drukowanej i prądu szczytowego, który układ scalony wywiera na zasilacz. Większość inżynierów umieści kondensatory 100nF X7R jak najbliżej styków zasilania układu scalonego. Jeden kondensator na pin zasilania. Dobry pinout IC będzie miał pin uziemienia obok każdego pinu zasilania, dzięki czemu można utrzymać pętlę tak krótko, jak to możliwe.

W przypadku układów scalonych małej mocy kondensatory 10nF mogą być wystarczające i mogą być preferowane w stosunku do 100nF ze względu na ich niższą indukcyjność wewnętrzną. Z tego powodu znajdziesz również 10nF równolegle do 100nF. W takim przypadku mniejszy kondensator powinien znajdować się najbliżej styków.

Kondensatory wykonane z X7R (a tym bardziej Y5V) mają ogromną zależność pojemności / napięcia. Możesz to sprawdzić samodzielnie w doskonałej przeglądarce cech produktów Murata (Simsurfing) pod adresem ttp: //ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/

Uderza ceramiczna zależność od napięcia kondensatora. To normalne, że kondensator X7R ma nie więcej niż 30% pojemności znamionowej przy napięciu znamionowym. Na przykład - kondensator Murata 10uF GRM21BR61C106KE15 (pakiet 0805, X5R) o napięciu 16 V daje wydajność tylko 2,3 uF przy napięciu 12V DC przy temperaturze 25 ° C. Y5V jest znacznie gorszy pod tym względem.

Aby uzyskać pojemność zbliżoną do 10 uF, należy użyć GRM32DR71E106K o napięciu 25 V (obudowa 1210, X7R), co daje 7,5 uF w tych samych warunkach.

Poza zależnościami napięcia stałego (i temperatury) prądu stałego, rzeczywisty „kondensator ceramiczny” ma silną zależność częstotliwościową, działając jako bocznik odsprzęgający moc. Strona Muraty zapewnia wykresy zależności częstotliwości | Z |, R i X dla ich kondensatorów, przeglądanie ich daje wgląd w faktyczne działanie części, którą nazywamy „kondensatorem” przy różnych częstotliwościach.

Prawdziwy kondensator ceramiczny można modelować za pomocą idealnego kondensatora (C) połączonego szeregowo z rezystancją wewnętrzną (Resr) i indukcyjnością (Lesl). Istnieje również izolacja R równolegle do C, ale jeśli nie przekroczysz napięcia znamionowego kondensatora, nie ma to znaczenia w przypadku zastosowań związanych z oddzielaniem mocy.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Tak więc kondensatory ceramiczne chipowe będą działać jako kondensatory tylko do określonej częstotliwości (samorezonansowej dla szeregowego konturu LC, którym faktycznie jest kondensator rzeczywisty), powyżej której zaczynają działać jako cewki indukcyjne. Ta częstotliwość Fres jest równa sqrt (1 / LC) i jest określana zarówno przez skład ceramiki, jak i geometrię kondensatora - generalnie mniejsze opakowania mają wyższe Fres Również kondensatory mają komponent czysto rezystancyjny (Resr), który wynika głównie ze strat w ceramice i określa minimalną impedancję, jaką może zapewnić kondensator. Zwykle jest w zakresie mili-Ohm.

W praktyce do dobrego oddzielenia używam 3 rodzajów kondensatorów.

Większa pojemność około 10uF w pakiecie 1210 lub 1208 na układ scalony, który pokrywa 10KHz do 10MHz z bocznikiem mniejszym niż 10-15 mili-Ohm dla zakłóceń linii zasilającej.

Następnie na każdy pin zasilania IC wkładam dwa kondensatory - jeden 100nF w pakiecie 0806 pokrywającym 1 MHz do 40 MHz z bocznikiem 20 mili-Ohm, i jeden 1nF w pakiecie 0603, pokrywający 80 MHz do 400 MHz z bocznikiem 30 mili-Ohm. To mniej więcej obejmuje zakres od 10 kHz do 400 MHz w celu odfiltrowania szumów linii zasilającej.

W przypadku wrażliwych obwodów zasilania (takich jak zasilanie cyfrowe PLL, a zwłaszcza moc analogowa) umieściłem kulki ferrytowe (ponownie, Murata ma przeglądarkę charakterystyk dla tych) o znamionowej mocy od 100 do 300 omów przy 100 MHz. Dobrym pomysłem jest także oddzielenie uziemienia między czułymi i regularnymi obwodami zasilania. Tak więc ogólny zarys planu zasilania układu scalonego wygląda następująco: 10uF C6 na pakiet układów scalonych i 1nF / 100nF C4 / C5 na każdy pin zasilania:

^{zasymuluj ten obwód}

Mówiąc o routingu i rozmieszczeniu - zasilanie i uziemienie są najpierw kierowane do kondensatorów, tylko w kondensatorach łączymy się z płaszczyznami zasilania i uziemienia poprzez przelotki. Kondensatory 1nF są umieszczone bliżej styków układu scalonego. Kondensatory muszą być umieszczone jak najbliżej styków zasilania, nie dalej niż 1 mm długości śladu od płytki kondensatora do płytki IC.

Przelotki, a nawet krótkie ślady na płytce drukowanej stanowią znaczącą indukcyjność dla częstotliwości i pojemności, z którymi mamy do czynienia. Na przykład średnica 0,5 mm w PCB o grubości 1,5 mm ma indukcyjność 1,1 nH od górnej do dolnej warstwy. Dla kondensatora 1nF, który daje Fres równy tylko 15 MHz. Tak więc podłączenie kondensatora za pośrednictwem powoduje, że kondensator 1nF o niskim ReR nie nadaje się do użytku na częstotliwościach powyżej 15 MHz. W rzeczywistości reaktancja 1,1 nH przy 100 MHz wynosi aż 0,7 oma.

Ślad o długości 1 mm, szerokość 0,2 mm, 0,35 mm powyżej płaszczyzny mocy będzie miał porównywalną indukcyjność wynoszącą 0,4 nH - co ponownie powoduje, że kondensatory są mniej wydajne, a zatem próba ograniczenia długości śladu kondensatorów do ułamka mm i zwiększenie ich tak szerokiej, jak to możliwe, powoduje dużo rozsądku.

Jeśli używasz dużych elektrolitów do wygładzenia zasilania, nie zapomnij dodać równolegle małych ceramicznych nasadek dla wysokich częstotliwości. Czapki elektrolityczne w rzeczywistości wyglądają jak cewki indukcyjne o wysokich częstotliwościach.

• http://www.boostbuck.com/BypassingaCapacitor.html
• http://www.amccaps.com/leaded-capacitors/switch-mode-ceramic-capacitors/impedance-vs-frequency.html
• http://enjeti.tamu.edu/conf-papers/electrolytic-cap-pwm-asd.pdf

Jeśli nie jest to bardzo wymagający obwód, rozrzuć około 100nF X7R. Jeśli nie masz płaszczyzn zasilania, trzymaj je blisko pary styków urządzenia, idealnie naprzeciwko nich.

Jeśli twój obwód pobiera dużą moc, przy wysokich częstotliwościach, musisz zaprojektować swój system dystrybucji energii (PDS). Xilinx ma rozsądne wprowadzenie do tego. Istnieje również wiele dyskusji na temat si-list .

Następne pytanie brzmi: „jakie są dobre ogólne zasady, aby zdecydować, czy mój obwód jest wystarczająco wymagający, aby wykraczać poza ogólne zasady dotyczące oddzielania projektu?” :)

Jak już wspomniałeś, kondensator wygładzający powinien zostać umieszczony w obwodzie w przypadku skoków prądu spowodowanych zmianami obciążenia. Umieszczając kondensator wygładzający, umieść go jak najbliżej styku układu scalonego. Wartość od 47uf do około 100uf powinna wystarczyć.

Sprawdzić:

http://www.learningaboutelectronics.com/Articles/How-to-connect-a-voltage-regulator-in-a-circuit

po informacje na temat wyjaśnienia różnych zastosowań kondensatorów w obwodach.

Wartość zasobnika lub kondensatora wygładzającego jest iloczynem maksymalnego prądu wymaganego przez obwód i czasu odzyskiwania regulatora pod obciążeniem ... (żaden regulator nie reaguje natychmiast) ...

W obwodzie, w którym obecne wymagania są stałe, 10uF - 22uF powinno wystarczyć ...

W przypadku obwodów, w których zapotrzebowanie na prąd szybko się zmienia, może być wymagana wartość kondensatora w setkach uF ...

W najnowszej wersji z zasilaniem 3,3 V i nagłym zapotrzebowaniem na 250 mA wymagana była wartość kondensatora 470uF, aby utrzymać stabilność ...