Entkopplungskondensatoren: welche Größe und wie viele?

Sie müssen noch ein paar Fragen hinzufügen - (c) welches Dielektrikum sollte ich verwenden und (d) wo platziere ich den Kondensator in meinem Layout?

Die Menge und Größe variiert je nach Anwendung. Für Stromversorgungskomponenten ist der ESR (effektiver Serienwiderstand) eine kritische Komponente. Beispielsweise enthält das LDO-Datenblatt MC33269 eine ESR-Empfehlung von 0,2 Ohm bis 10 Ohm. Für die Stabilität ist eine Mindestmenge an ESR erforderlich.

Für die meisten Logik-ICs und Operationsverstärker verwende ich einen 0,1-uF-Keramikkondensator. Ich platziere den Kondensator sehr nahe am IC, so dass es einen sehr kurzen Weg von den Kondensatorleitungen zur Masse gibt. Ich verwende umfangreiche Masse- und Stromversorgungsebenen, um Pfade mit niedriger Impedanz bereitzustellen.

Bei Stromversorgungs- und Hochstromkomponenten ist jede Anwendung anders. Ich folge den Herstellerempfehlungen und platziere die Kondensatoren sehr nah am IC.

Für die Massenfilterung von Stromeingängen, die in die Platine gelangen, verwende ich normalerweise einen 10-uF-Keramik-X7R-Kondensator. Auch dies variiert je nach Anwendung.

Sofern keine Mindest-ESR-Anforderung für die Stabilität besteht oder ich sehr große Kapazitätswerte benötige, verwende ich entweder X7R- oder X5R-Dielektrika. Die Kapazität variiert mit Spannung und Temperatur. Derzeit ist es nicht schwierig, erschwingliche 10uF-Keramikkondensatoren zu bekommen. Sie müssen die Nennspannung von Keramikkondensatoren nicht überbewerten. Bei Nennspannung liegt die Kapazität im Toleranzbereich. Wenn Sie die Spannung nicht über den dielektrischen Durchbruch erhöhen, verlieren Sie nur Kapazität. Typischerweise beträgt die Spannungsfestigkeit das 2- bis 3-fache der Nennspannung.

Es gibt einen sehr guten Anwendungshinweis über Erdung und Entkopplung von Paul Brokaw mit dem Titel „An IC Amplifier User’s Guide to Decoupling, Grounding,. and Making Things Go Right for a Change“.

Folgende Faustregeln verwende ich für meine digitalen Schaltungen:

Jedes Pin-Paar der Stromversorgung sollte seinen X7R-Keramikkondensator mit 100 nF erhalten. Es sollte so nah wie möglich an den Stiften sein. Am besten geht die Zuleitung zuerst am Kondensator vorbei, bevor sie zum Pin geht, aber meistens ist das nicht nötig.

Die Kondensatoren an den ICs haben nichts mit der Welligkeit des Netzteils zu tun. Sie werden zur Entkopplung benötigt , also um schnellen Änderungen des Versorgungsstroms für den jeweiligen IC gerecht zu werden. Die Zuleitungen vom Netzteil zum IC sind vergleichsweise lang und haben eine gewisse Induktivität, was schnelle Änderungen des Stroms verhindert. Die Versorgungsspannung am IC kann dann aus dem Bereich geraten und der IC kann fälschlicherweise versagen oder in extremen Fällen beschädigt werden.

Ein- und Ausgang des Spannungsreglers sollten laut Datenblatt einen Kondensator bekommen, insbesondere mit korrektem äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Wenn Sie es falsch machen, kann der Regler schwingen, insbesondere bei Low-Dropout-Spannungsreglern (LDOs).

Für analoge Schaltungen ist X7R möglicherweise nicht das richtige Material, da es einen relativ großen piezoelektrischen Effekt hat. Das heißt, mechanische Vibrationen können Spannungsänderungen verursachen und umgekehrt. C0G ist in dieser Hinsicht besser. Diese Einschränkung gilt jedoch hauptsächlich für Signalpfade.

Wie ich im Kommentar sagte, meinen Sie wahrscheinlich das Entkoppeln von Kondensatoren , nicht das Glätten von Kondensatoren.

Der Zweck von Entkopplungskondensatoren besteht nicht darin, die Welligkeit Ihres Netzteils zu beseitigen, sondern Störungen abzufangen. Ein IC kann für kurze Zeit viel zusätzlichen Strom benötigen, beispielsweise wenn Tausende von Transistoren gleichzeitig schalten. Die Induktivität der Leiterbahnen der Leiterplatte kann verhindern, dass das Netzteil dies so schnell liefern kann. Daher werden Entkopplungskondensatoren als lokale Energiepuffer verwendet, um dies zu überwinden.

Das bedeutet, dass es nicht einfach ist, zu berechnen, welchen Wert die Kondensatoren haben sollten. Der Wert hängt von der Induktivität der Leiterbahnen der Leiterplatte und den Stromspitzen ab, die Ihr IC auf der Stromversorgung ausübt. Die meisten Ingenieure platzieren 100-nF-X7R-Kondensatoren so nah wie möglich an den Stromanschlüssen des ICs. Ein Kondensator pro Power-Pin. Eine gute IC-Pinbelegung hat neben jedem Stromanschluss einen Erdungsanschluss, sodass Sie die Schleife so kurz wie möglich halten können.

Für Low-Power-ICs können 10-nF-Kondensatoren ausreichend sein und aufgrund ihrer geringeren internen Induktivität gegenüber 100-nF bevorzugt werden. Aus diesem Grund findet man parallel zu den 100nF auch 10nF. In diesem Fall sollte der kleinere Kondensator den Stiften am nächsten sein.

Kondensatoren aus X7R (und noch mehr Y5V) haben eine enorme Kapazitäts-/Spannungsabhängigkeit. Sie können dies selbst im exzellenten Murata-Produkt-Online-Eigenschaftenbrowser (Simsurfing) unter ttp://ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/ überprüfen.

Auffallend ist die Spannungsabhängigkeit des Keramikkondensators. Es ist normal, dass der X7R-Kondensator bei Nennspannung nicht mehr als 30 % der Nennkapazität hat. Zum Beispiel - der 10-uF-Murata-Kondensator GRM21BR61C106KE15 (0805-Gehäuse, X5R) mit einer Nennleistung von 16 V ergibt nur eine Kapazität von 2,3 uF, wenn 12 V DC bei einer Temperatur von 25 ° C angelegt werden. Y5V ist in dieser Hinsicht viel schlechter.

Um eine Kapazität von fast 10 uF zu erreichen, müssen Sie einen GRM32DR71E106K mit einer Nennspannung von 25 V (1210-Gehäuse, X7R) verwenden, was unter denselben Bedingungen 7,5 uF ergibt.

Abgesehen von Gleichspannungs- (und Temperatur-) Abhängigkeiten weisen echte "Keramik-Chip-Kondensatoren" eine starke Frequenzabhängigkeit auf, wenn sie als Leistungsentkopplungs-Shunts fungieren. Die Website von Murata bietet |Z|-, R- und X-Frequenzabhängigkeitsdiagramme für ihre Kondensatoren. Wenn Sie diese durchsuchen, erhalten Sie einen Einblick in die tatsächliche Leistung des Teils, den wir "Kondensator" bei verschiedenen Frequenzen nennen.

Ein echter Keramikkondensator kann durch einen idealen Kondensator (C) modelliert werden, der in Reihe mit Innenwiderstand (Resr) und Induktivität (Lesl) geschaltet ist. Es gibt auch eine R-Isolation parallel zu C, aber wenn Sie die Nennspannung des Kondensators nicht überschreiten, ist dies für Anwendungen zur Leistungsentkopplung unwichtig.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Daher wirken Chip-Keramikkondensatoren nur bis zu einer bestimmten Frequenz als Kondensatoren (Eigenresonanz für die serielle LC-Kontur, die tatsächlich ein echter Kondensator ist), oberhalb derer sie beginnen, als Induktivitäten zu wirken. Diese Frequenz Fres ist gleich sqrt(1/LC) und wird sowohl durch die Keramikzusammensetzung als auch durch die Kondensatorgeometrie bestimmt – im Allgemeinen haben kleinere Gehäuse höhere Fres. Außerdem haben Kondensatoren eine rein resistive Komponente (Resr), die hauptsächlich aus den Verlusten in der Keramik resultiert und bestimmt die minimale Impedanz, die der Kondensator bereitstellen kann. Sie liegt normalerweise im mili-Ohm-Bereich.

In der Praxis verwende ich für eine gute Entkopplung 3 Arten von Kondensatoren.

Höhere Kapazität von etwa 10 uF im 1210- oder 1208-Gehäuse pro integrierter Schaltung, die 10 kHz bis 10 MHz mit weniger als 10-15 Milli-Ohm-Shunt für Netzrauschen abdeckt.

Dann setze ich pro IC-Leistungspin zwei Kondensatoren ein - einen 100-nF-in-0806-Gehäuse, der 1 MHz bis 40 MHz mit 20-mili-Ohm-Shunt abdeckt, und einen 1-nF-in-0603-Gehäuse, der 80 MHz bis 400 MHz mit 30-mili-Ohm-Shunt abdeckt. Dies deckt mehr oder weniger den Bereich von 10 kHz bis 400 MHz ab, um Stromleitungsrauschen herauszufiltern.

Für empfindliche Stromkreise (wie digitale PLL- und insbesondere analoge Stromversorgung) habe ich Ferritperlen (wiederum hat Murata einen Kennlinienbrowser für diese) mit einer Nennleistung von 100 bis 300 Ohm bei 100 MHz eingesetzt. Es ist auch eine gute Idee, Masse zwischen empfindlichen und normalen Stromkreisen zu trennen. Somit sieht der Gesamtentwurf des IC-Leistungsplans wie folgt aus, mit 10 uF C6 pro IC-Gehäuse und 1 nF/100 nF C4/C5 pro Leistungsstift:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Apropos Routing und Platzierung - Strom und Masse werden zuerst zu Kondensatoren geleitet, nur bei Kondensatoren verbinden wir uns über Durchkontaktierungen mit Strom- und Masseebenen. 1nF-Kondensatoren werden näher an den IC-Pins platziert. Kondensatoren müssen so nah wie möglich an den Stromanschlüssen platziert werden, nicht weiter als 1 mm Leiterbahnlänge vom Kondensatorpad zum IC-Pad.

Durchkontaktierungen und sogar kurze Spuren auf der Leiterplatte stellen eine erhebliche Induktivität für die Frequenzen und Kapazitäten dar, mit denen wir es zu tun haben. Beispielsweise hat eine Durchkontaktierung mit 0,5 mm Durchmesser in einer 1,5 mm dicken Leiterplatte eine Induktivität von 1,1 nH von der oberen zur unteren Schicht. Für einen 1-nF-Kondensator ergibt sich Fres von nur 15 MHz. Wenn Sie also einen Kondensator durch Via anschließen, wird ein 1-nF-Kondensator mit niedrigem Resr bei Frequenzen über 15 MHz unbrauchbar. Tatsächlich ist eine Reaktanz von 1,1 nH bei 100 MHz so groß wie 0,7 Ohm.

Eine Leiterbahn von 1 mm Länge, 0,2 mm Breite, 0,35 mm über der Leistungsebene hat eine vergleichbare Induktivität von 0,4 nH - was Kondensatoren wiederum weniger effizient macht, wodurch versucht wird, die Leiterbahnlänge von Kondensatoren auf einen Bruchteil eines mm zu begrenzen und sie so breit wie möglich zu machen viel Sinn.

Wenn Sie große Elkos verwenden, um ein Netzteil zu glätten, vergessen Sie nicht, parallel kleine Keramikkappen für die hohen Frequenzen hinzuzufügen. Elektrolytkappen sehen bei hohen Frequenzen tatsächlich wie Induktoren aus.

• 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

Wenn es sich nicht um eine sehr anspruchsvolle Schaltung handelt, streuen Sie einige 100-nF-X7R-Kappen herum. Wenn Sie keine Stromversorgungsebenen haben, platzieren Sie sie in der Nähe eines Paars von Gerätestiften, idealerweise direkt gegenüber.

Wenn Ihre Schaltung bei hohen Frequenzen viel Strom verbraucht, müssen Sie Ihr Stromverteilungssystem (PDS) entwerfen . Xilinx hat dazu eine vernünftige Einführung . Es gibt auch viele Diskussionen über si-list .

Die nächste Frage lautet: "Was sind gute Faustregeln, um zu entscheiden, ob meine Schaltung anspruchsvoll genug ist, um über die Faustregeln für das Entkopplungsdesign hinauszugehen?" :)

Bei Stromspitzen durch Laständerungen sollte, wie Sie sagten, ein Glättungskondensator in die Schaltung eingebaut werden. Wenn Sie einen Glättungskondensator platzieren, platzieren Sie ihn so nah wie möglich am IC-Pin. Ein Wert von 47uf bis etwa 100uf sollte ausreichen.

Kasse:

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

für einige Informationen zur Klärung verschiedener Kondensatorverwendungen in Schaltungen.

Der Wert des Reservoirs oder des Glättungskondensators ist ein Produkt aus dem maximalen Strom, der von der Schaltung benötigt wird, und der Erholungszeit des Reglers unter Last ... (kein Regler reagiert sofort) ...

In einem Stromkreis, in dem die Stromanforderungen konstant sind, sollten 10 uF - 22 uF ausreichen ...

Für Schaltungen, in denen der Strombedarf schnell schwankt, kann ein Kondensatorwert von Hunderten von uF erforderlich sein ...

In einem kürzlich gebauten Build mit einer 3,3-Volt-Versorgung und einem plötzlichen Bedarf an 250 mA war ein Kondensatorwert von 470 uF erforderlich, um die Stabilität aufrechtzuerhalten ...