Ist es besser, Kondensatoren mit demselben Wert parallel zu Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten zu schalten, um das von digitalen ICs verursachte Hochfrequenzrauschen zu entkoppeln?
Digitale ICs benötigen einen Entkopplungskondensator in der Nähe ihrer Versorgungspins, um eine stabile Spannung während Leistungstransienten sicherzustellen und mit Rauschen umzugehen (hauptsächlich, um zu verhindern, dass vom IC erzeugtes Rauschen benachbarte Schaltkreise beeinträchtigt). Es erscheint sinnvoll, einen Bulk-Kondensator (z. B. 10-100 uF) als Energiespeicher und mehrere kleinere Kondensatoren für höhere Frequenzen zu platzieren. Der Grund für die Platzierung mehrerer kleiner Kondensatoren anstelle von nur einem ist der Umgang mit ihrer äquivalenten Serieninduktivität (ESL), die dazu führt, dass sie sich in der Praxis wie ein LC-Kreis verhalten.
Doch hier scheinen sich bewährte Designpraktiken und elektronischer Mythos zu vermischen und für mich verwirrend zu werden. Die meisten Elektronikingenieure, die ich getroffen habe, mögen es, mehrere Entkopplungskondensatoren mit unterschiedlichen Werten parallel zu schalten (wobei die kleineren Kondensatoren näher am IC liegen). Die Logik dahinter ist, dass jeder Kondensator für eine andere Rauschfrequenz sorgt, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Impedanz über Frequenz von drei parallelgeschalteten Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten (cyan) im Vergleich zu ihrem individuellen Beitrag (braun, blau, rot). Bild von All About Circuits .
Beachten Sie die kleine Antiresonanzspitze. Es scheint keine größeren Probleme zu geben, und das Gesamtverhalten der drei verschiedenen parallel geschalteten Kondensatoren ist ihren individuellen Entkopplungsfähigkeiten weit überlegen.
Ich habe jedoch in Electromagnetic Compatibility Engineering von [Henry W. Ott] gelesen, dass das Platzieren von Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten eine viel größere Antiresonanzspitze verursachen kann, die für unsere Designs sehr schädlich sein kann (siehe Abbildung 2). Tatsächlich verstärkt es jedes Rauschen, das in den Anti-Resonanz-Frequenzbereich fällt, was durch diese Veröffentlichung bestätigt wird .
Abbildung 2: aus Electromagnetic Compatibility Engineering, von Henry W. Ott, Abschnitt 11.4.4. Die Induktivität von 15 nH bezieht sich auf die Kondensatoren ESL.
Ich habe eine Reihe von Beobachtungen, die ich in eine Antwort einfließen lassen wollte, und bitte beachten Sie, dass ich sehr gerne 30 Minuten damit verbringe, eine Simulation davon durchzuführen, wenn jemand genau angeben kann, welche Testschaltung die großen Antiresonanzspitzen erzeugt hat .
Erstens bin ich mir nicht sicher, ob ich genau dem von Ott beschriebenen Ablauf folge.
Sind die 15-nH-Induktivitäten wie angegeben mit jedem Kondensator in Reihe geschaltet? Wenn dies der Fall ist, ist dies eindeutig falsch, da die kleineren Kondensatoren kleinere ESLs haben. Wird der Widerstandsbelastungseffekt der Schaltung erwähnt, die die Kondensatoren "glätten"?
Wie hoch sind die Induktivitäten der Leiterbahnen, die die Kondensatoren speisen, oder wurden die Kondensatoren über Erdungs- und Stromversorgungsebenen verbunden?
Kurz gesagt, ich bin nicht zufrieden mit der Ott-Behauptung, die auf dem Fehlen einer klaren Schaltung basiert, die in einer Simulation reproduziert werden kann. Wenn eine übersichtliche Schaltung zur Verfügung gestellt werden kann, bin ich interessiert!
Sie sind schon ziemlich gut darin, zur Parallelresonanz zu gelangen. Es hängt von Ihrer Anwendung ab. Wenn Sie beispielsweise versuchen, Ethernet-Spitzen zu unterdrücken / zu umgehen, sollten Sie parallele Kappen verwenden, die Impedanzeinbrüche in der Grundfrequenz und einigen der Oberwellen aufweisen.
Die "perfekte" Lösung ist die Verwendung von Keramik mit niedrigem ESL-Wert, die normalerweise dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Pads an den langen Enden befinden. Diese neigen dazu, eine Impedanz über das Spektrum zu haben, die so niedrig oder niedriger ist als bei normalen MLCC-Chips in ihren Einbrüchen. Sie sind auch weniger anfällig für Impedanzspitzen, da so wenig Induktivität beteiligt ist.
Hier ist eine gute Beschreibung dessen, was hier vor sich geht, eine Hauptquelle dieser Resonanzen sind Komponenten-Pads, Power Planes und Vias, nicht so sehr der Kondensator selbst: http://ntuemc.tw/upload/file/20120419205619a4fcf.pdf
Einige Leute denken, Sie sollten sowieso nicht darauf abzielen, Ihre Einbrüche bei den grundlegenden Schaltfrequenzen zu erreichen, da dies dem Chip ermöglicht, schnellere Kanten zu erzeugen, aber ich bin mir nicht sicher, ob ich das kaufe. Der Impedanzeinbruch würde auf der Grundfrequenz liegen, nicht auf den höheren Harmonischen, die diese scharfe Kante erzeugen.
Fazit: Die einzelnen Kondensatoren müssen bedämpft werden; für 100uF-Kappen kann das Lot und die PCB-Folie ausreichen (10milliOhm, wenn L = 10nH); für 1 uF verwenden Sie 0,1 Ohm; für 10nF 1 Ohm verwenden usw.
Hier mit 4 Kondensatoren, 100U/1U/10n/100p und 10nH ESL, hängt die Spitze von den Verlusten in jeder Kappe ab {Ich halte sqrt(L/C) für einen guten Anfang; also 10nH und 10pF brauchen 3,1 Ohm, die ich hier nicht verwendet habe; 10 nH und 100 uF benötigen jedoch 10 Milliohm, was im 3. Screenshot dargestellt ist.}
Untersuchen wir diese Reaktion mit 1 Mikroohm ESR in jeder Kappe. Beachten Sie, dass der niedrigste Abfall bei -120 dB liegt. Zsource ist nur 50 Ohm.
Nun diese Antwort mit 1 Milliohm ESR in jeder Kappe. Zsource ist 50 Ohm.
Und jetzt 10 Milliohm ESR für jede Kappe, Zsource ist 50 Ohm.
Und zwar mit 10milliOhm in jeder Kappe, mit der Zsource jetzt 1uH + 50 Ohm
Hier ist die (angeforderte) SCE-Simulation [kostenlos erhältlich bei robustcircuitdesign.com] mit 4 identischen 1UF-Kappen, jede mit 10nH ESL und 10milliOhm. Es gibt KEINE SPITZEN, weil die 10milliOhm diese Spitzen dämpfen. [oder ist die Zsource, von 50 Ohm und 1uH, was dämpft??]
In der vorherigen Simulation gab es kein Peaking. Also füge ich 3 Induktivitäten zwischen die 4 Kappen ein. Jetzt eine Simulation dieser 4 Kappen + 3 Induktivitäten (PCB-Folie, jeweils 10 nH). Beachten Sie die Peaking-Returns (der ESR beträgt nur 1 EIN Milliohm, um Peaking zu zeigen) bei -20 dB.
Um die Antworten anderer zu ergänzen:
Gleichwertige Kappen können auch zusammen schwingen, wenn Sie bedenken, dass sie mit Induktivitätsspuren oder -ebenen ungleich Null verbunden sind. Sie werden höchstwahrscheinlich keine große Resonanzspitze in der Impedanz erhalten, aber Sie werden ein wenig zirkulierenden Strom in der Stromversorgung / Masse erhalten, wenn die Kappen zusammen klingeln.
PlasmaHH
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