Gibt es eine Formel zur Bestimmung der Größe von Entkopplungskondensatoren? [Duplikat]

Denken Sie daran, dass die Entkopplung mehrere Zwecke hat.

• Bei einer Last, die transiente Spitzenströme wie eine CPU zieht, speichern Entkopplungskappen Energie lokal und in der Nähe der Last, sodass sie schnell verfügbar ist (dh mit niedriger Induktivität). Die Idee ist, dass die CPU bei jedem Taktzyklus eine bestimmte Ladungsmenge (Coulomb) verschlingt, was bedeutet, dass die Kappen sowohl einen ausreichend großen Wert als auch eine ausreichend niedrige Induktivität haben müssen, um die erforderliche Ladung bereitzustellen, ohne dass die Spannung über den angegebenen zulässigen Wert abfällt Bereich.

• Dies bringt uns zu ihrer zweiten Rolle, die darin besteht, hohe di/dt-Schleifen lokal zu schließen. Dies ist erforderlich, damit die Schaltung funktioniert, da eine zu hohe Induktivität zu einem Durchhängen der Versorgung führt, aber es ist auch sehr vorteilhaft, da es das Einspeisen von HF-Strömen in die GND-Ebene vermeidet. Unsere CPU zieht sehr schnelle Ströme, daher reagieren zuerst lokale Kappen mit niedriger Induktivität. Sie mitteln dann den Strom, der von den größeren, langsameren, höheren Induktivitäten und weiter entfernten Bulk-Caps gezogen wird. Diese wiederum müssen Ladung liefern, während der normalerweise langsame Regler anspricht.

• Gleiches gilt für den Eingang eines Buck-Reglers. Es zieht einen schnellen Rechteckwellenstrom, und die Aufgabe der Eingangsentkopplungskappen besteht darin, ihn in einer engen lokalen Schleife fließen zu lassen und nur einen viel weniger verrauschten, gemittelten Strom aus der Hauptversorgung zu ziehen.

• Bei analogen Geräten wie Operationsverstärkern filtern Entkopplungskappen auch HF-Rauschen an den Netzteilen heraus. Wenn Ihr Operationsverstärker in die Klasse B wechselt, ansteigt oder eine Stromspitze zieht, während er eine kapazitive Last zerreißt, zieht er einen verzerrten Strom oder eine Stromspitze, wodurch Verzerrungen in die Versorgungen injiziert werden. Die resultierende Verzerrung am Ausgang hängt von der Versorgungsimpedanz und dem PSRR bei der entsprechenden Frequenz ab.

• Und auf der Angebotsseite sollten die Kappen natürlich Ihren Atemregler glücklich machen! Überprüfen Sie das Datenblatt. Nicht alle "stabil mit 1µF Keramik" LDOs sind gleich. Einige haben bewundernswerte Übergangsreaktionen. Andere sind furchtbar. Gleiches gilt, wenn eine Ferritperle im Lieferumfang enthalten ist. Machen Sie keinen LC-Tank, der mit einer von Ihnen verwendeten Frequenz schwingt ...

Eine übermäßige Induktivität in Versorgungsleitungen verursacht einen Spannungseinbruch bei transienten Stromanforderungen. Digitales Zeug reagiert darauf, indem es abstürzt, falsche Werte berechnet, UVLO- oder Brownout-Detektoren auslöst und allerlei lustiges Zeug. Operationsverstärker und analoge Bits reagieren, indem sie oszillieren, ewig brauchen, um sich zu beruhigen, Verzerrungen erhöhen usw.

Eine übermäßige Induktivität verursacht auch Spannungsspitzen (positiv oder negativ), wenn große Ströme hineingezwungen werden, wie dies beim Schalten eines DC-DC-Wandlers der Fall ist. Das wird Ihre FETs, Ihre FET-Treiber sprengen ... Ich habe es schon mehrmals auf dieser Website gesehen.

Nun, es ist ein bisschen kompliziert und es gibt mehrere Ansätze.

• Der Bastler

Sie löten gerne 0805, weil 0603 zu klein ist. Da die Induktivität von der Gehäusegröße und nicht vom Wert abhängt, kaufen Sie einige Hundert der größten Kappen, die Sie in 0805 bekommen können, wahrscheinlich 1-10 µF, je nach Spannung, und erhalten einen schönen Mengenrabatt. Sie kleben einen auf jeden Power-Pin, ohne sich Sorgen zu machen, und es funktioniert einfach. Sie könnten 100 nF setzen, aber der Preis ist für einen Bastler nicht so unterschiedlich, und ehrlich gesagt, setzen Sie besser eine Kappe ein, die 5 Cent teurer ist, als tatsächlich über den Wert nachzudenken, den Sie benötigen, oder? Ich meine, wenn Sie Ihre Zeit schätzen, ist es ein Kinderspiel, 5 Cent auszugeben, um eine zusätzliche Minute zu sparen und über den Wert nachzudenken, den Sie tatsächlich benötigen. Genauso wie 50€ für chinesische 4-Lagen-Boards auszugeben, anstatt zwei Wochenenden lang zu schuften, um das verdammte Durcheinander mühsam auf zwei Lagen zu bringen? Verdammt ja.

Das Hinzufügen eines 10c-Elektrolyts erspart Ihnen auch die Mühe, manchmal einen oszillierenden Regler zu debuggen, eine lohnende Investition, wenn Sie nur wenige Platinen herstellen.

Hinweis: Das Parallelschalten von 100 nF mit 1 µF ist nur sinnvoll, wenn die 100 nF viel kleiner sind. Wenn sie das gleiche Paket sind, haben sie die gleiche Induktivität. Die kleinere Kappe wird nur dann schneller sein, wenn sie physisch kleiner und näher an den Stiften / Flugzeugen ist.

• Der HF-Ingenieur

Dieser Typ hat eine gute Vorstellung von der Versorgungsimpedanz, die er braucht, und schafft es, indem er verschiedene Kappen parallel klemmt, unter Berücksichtigung des Pakets und über Induktivität, die Tatsache, dass C0G bei HF besser funktioniert, vielleicht die Eigenresonanzfrequenzen ausnutzt, sicherstellt Die Versorgung schwingt nicht auf der falschen Frequenz mit, stecken Sie eine oder zwei Ferritperlen in die Mischung, um etwas Filterung hinzuzufügen usw. Hier ist die Impedanz wichtiger als der Kondensatorwert.

• Der Audiophile

Er macht im Grunde das Gegenteil, X7R SMD-Kappe ist ca. 1nH, Durchgangsloch-WIMA-Red-Boxen mit 5,08mm Stiftabstand sind ca. 6-8 nH montiert, und somit wird das HF-Rauschen auf den Schienen mit dem gleichen Faktor multipliziert, aber wen interessiert das schon , es sieht gut aus! Außerdem bringt der instabile LDO die Höhen zum Brodeln, für das gewisse Extra.

• Der knallharte Motherboard-Typ

In diesem Fall gibt der Hersteller ein empfohlenes Impedanzprofil für die Versorgung seines Chips an. Und ein Software-Tool , um es einfacher zu machen. Das Ergebnis sind normalerweise Unmengen von Kappen mit geringem Wert, da sie winzig klein sein müssen, einen niedrigen ESL haben und zwischen BGA-Durchkontaktierungen oder ähnliches passen müssen. Dann wird er die Werte verschieben, um sein Impedanzprofil zu erhalten, und das Ding mit einem VNA (unter Nennspannung) überprüfen. Dann werden die Sparer natürlich die Hälfte der Kappen entvölkern.

• Der analoge Typ

Holen Sie sich einen Operationsverstärker mit "100 ns Einschwingzeit auf 0,1%". Kleben Sie es auf eine Platine mit Entkopplungskappen wie 10nF//1µF. Jedes Mal, wenn es ansteigt und eine Stromspitze zieht, tritt eine LC-Resonanz zwischen den beiden Kappen auf, überwindet den PSRR des Operationsverstärkers, der bei dieser Frequenz niedrig ist, und die Einschwingzeit wird 100-mal länger als sie sollte. Die Lösung besteht darin, nur EINE Kappe mit niedrigem ESR zu verwenden, die aus Keramik sein wird, also die kleine und lokale. Und verwenden Sie Kappen mit tatsächlichem ESR für die größeren, die die Impedanz dämpfen und nicht mitschwingen. Wie Tantal oder Elektrolyte.

Denken Sie daran, dass Ihr Chip sehr sehr dünne Bonddrähte hat, also hat er sowieso etwa 0,1-0,5 Ohm in den Vorräten, sodass Ihr Operationsverstärker die Tatsache nicht benötigt oder sich darum kümmert, dass die MLCC-Kappe 0,01 Ohm ESR hat! Diese Art von extrem niedrigem ESR ist ein Schmerz in der ... wegen Resonanzen.

Tatsächlich sind Keramiken mit niedrigem ESR so ein Schmerz, dass einige Leute wie SUN verrückte Wege gefunden haben, einige gedruckte ringförmige Ringwiderstände auf die inneren Schichten zu kleben , um etwas ESR hinzuzufügen!

Jetzt fangen sie an, " kontrollierte ESR " herzustellen. Über Zeit.

Beachten Sie, dass ich nicht viel über Werte spreche. Der HF-Typ und der Motherboard-Typ müssen ein Impedanzziel erreichen, also geht es mehr darum, wie viele Kappen, Induktivität, wie man die gestaffelten Werte wählt, welche Art von Kappen verwendet werden sollen, um die niedrigsten Kosten zu erzielen. Der Analogtyp wird höchstwahrscheinlich eine kleine Keramikkappe verwenden, um sicherzustellen, dass sein Operationsverstärker eine schöne Versorgung mit niedriger Induktivität hat, und einen Wert auswählen, der in das Paket passt, das er benötigt ...

Die Hauptrichtlinie besteht darin, an allen Stromanschlüssen jederzeit eine angemessene Spannung aufrechtzuerhalten. Dies ist normalerweise alles, was für digitale Schaltungen benötigt wird. In analogen Schaltungen kann die Stromschiene oft als unerwünschter Signalpfad fungieren, daher besteht eine weitere Anforderung an eine breitbandige niedrige Impedanz auf der Stromschiene.

Wenn die Schaltung Überspannungen mit Zeitkonstanten von uS bis mS zieht, verfügt die Platine häufig über einen „Bulk“-Kondensator von etwa 100 uF, an dem der Strom in die Platine gelangt, um die Ausgangsimpedanz des Netzteils zu bekämpfen. Wenn die Hauptstromversorgung ein einfacher Netzgleichrichter ist, dann würden hier viel größere Kondensatoren verwendet werden.

Eine digitale Schaltung nimmt bei Übergängen sehr große Ströme auf, die jedoch nur nS dauern. Diese werden von einer Keramikkappe in der Nähe jedes Stromanschlusses jedes Geräts behandelt. Da die Stromimpulse so kurz sind, liegen sie oft im Bereich von 10 nF bis 100 nF.

Anspruchsvollere Anwendungen können gehandhabt werden, indem weitere Kondensatoren oder Ferritperlen oder Induktivitäten hinzugefügt werden, um die Isolierung zwischen verschiedenen Teilen der Stromschiene zu erhöhen.

Ich habe noch nie eine richtige Formel gesehen, eher ein Bauchgefühl, das man aus Erfahrung gewinnt. Manchmal definieren Datenblätter einen empfohlenen Entkopplungsbetrag, aber es hängt wirklich davon ab, wie ausgelastet das Gerät ist, mit dem es verbunden ist.

Wenn es sich um ein leises Gate handelt, das Benutzereingaben oder ähnliches überwacht, ist eine kleine Obergrenze in Ordnung. Wenn es sich um einen Chip mit vielen Ausgängen handelt, die alle bei Taktfrequenzen mit großen Fan-Outs schalten, benötigen Sie VIEL mehr Entkopplung.

In den meisten Fällen wird dies jedoch durch die Tatsache bestimmt, dass Ihr Unternehmen eine bestimmte Größe eimerweise einkauft, sodass Sie sich routinemäßig für diese entscheiden.

Finden oder schätzen Sie den Betrag des maximalen Stroms und die maximale Zeit, in der die Last ihre „Auslenkung“ vom Nennwert der Spannungsschiene nimmt.

Mit dieser Formel können Sie dann den Zusammenhang zwischen der Kondensatorgröße und der Abweichung vom Nennwert Ihrer Stromschiene ermitteln:

Wenn ich zum Beispiel eine Last hätte, die 100 mA mehr als der Durchschnitt für 5 us verbraucht, und ich wollte, dass die Schiene innerhalb von 0,03 V bleibt, würde die Gleichung so aussehen:

oder auf 20 uF runden, um besser zu sein.

Dies funktioniert unter der Annahme einer Art "Stufeneingang". Wenn Sie eine Sinuswelle hätten, möchten Sie wahrscheinlich einen Leistungsfaktor verwenden, um den Strom zu "mindern". Verwenden Sie die Gleichung, um Sie in den Stadionbereich zu bringen, und überprüfen Sie dann die Welligkeit und stimmen Sie sie bei Bedarf ab.

Sie können Formeln für Kondensatoren ableiten, die eine bestimmte lokalisierte Welligkeitsspannung für einen bestimmten lokalisierten Chipstrom zulassen, während sie von einer bestimmten Stromschiene mit so vielen Mikro- oder Nano-Henrys in der Stromzufuhr gespeist werden. Sie können dies erweitern, um andere lokalisierte Chips aufzunehmen und möglicherweise Entscheidungen über die gemeinsame Nutzung eines Entkopplers treffen. Dann müssen Sie über die Eigenresonanzfrequenz einiger Kondensatoren nachdenken und entscheiden, ob tatsächlich niedrigere Werte vorzuziehen sind oder vielleicht zwei Kondensatoren mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz am besten geeignet sind. Vielleicht möchten Sie auch den effektiven Serienwiderstand einiger Kondensatoren berücksichtigen, die typischerweise elektrolytisch sind, und eine ganze Menge Mathe machen.

Auf der anderen Seite wählen Sie den praktischen Ansatz und wählen normalerweise 100 nF für Ihre digitalen Chips. Wenn Sie der Meinung sind, dass die Geschwindigkeit hoch genug ist, wählen Sie 10 nF, um Resonanzen zu vermeiden. Sie sollten auch das Datenblatt jedes Chips lesen und sehen, was es empfiehlt.