Antiresonanz mehrerer paralleler Entkopplungskondensatoren: gleichen Wert oder mehrere Werte verwenden?

Meine Frage:

Ist es besser, Kondensatoren mit demselben Wert parallel zu Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten zu schalten, um das von digitalen ICs verursachte Hochfrequenzrauschen zu entkoppeln?

Hintergrund

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.

Die Wirkung der Antiresonanz

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 entnommen aus https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/clean-power-for-every-ic-part-2-choosing-and-using-your-bypass-capacitors/

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

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.

Sie sollten sich jede echte Kappe als eine Induktivität, einen Widerstand und einen Kondensator in Reihe vorstellen und dann ein paar davon parallel schalten. Das Verhalten des Gesamtsystems hängt von allen drei Parametern ab und muss im Idealfall so lange „gut genug“ gefeilt werden, was wiederum von den Anforderungen abhängt. "So flach wie möglich" ist also keine gute Anforderung.
Es hängt vom gesamten System ab (einschließlich Triebwerksflugzeuge, Decaps usw.). Wenn mehrere Kondensatoren mit demselben Wert verwendet werden, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Antiresonanz mit Leistungsebenen. Wenn mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten verwendet werden, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Antiresonanz mit unterschiedlichen Kondensatorwerten. Der letzte Punkt, den wir brauchen, ist die Simulation des kompletten Systems mit allen Tools, die wir haben (können einfache Excel-/erweiterte Tools sein)....
Ich vertraue Henry Ott. Außerdem habe ich meistens keinen Platz für mehrere Werte auf jedem Pin. Und wenn Sie den Kondensator vom Stift wegbewegen, nimmt sein Wert für die Entkopplung schnell ab. Sie müssen Layoutfaktoren in Ihre Simulation einbeziehen. Die Spurinduktivität ist nicht vernachlässigbar.
In vielen realen Fällen sorgen die Widerstände: der Kondensatoren, der Drähte, der PCB-Folie (500 Mikroohm/Quadrat), des Lots! für eine angemessene Dämpfung. Für 1.000 uF und 100 NanoH, die bei 15,9 kHz schwingen, benötigen Sie 0,01 Ohm für Q = 1. Für 0,1 uF und 100 NanoH, die bei 1,59 MHz schwingen, benötigen Sie EIN Ohm für die Q = 1-Dämpfung.
Zusammenfassung: Für Kondensatoren mit weniger als 1 uF wählen Sie entweder verlustbehaftete Kappen oder verlustbehaftete Verdrahtung (Leiterplattenfolie, dünne Spuren sind verlustbehaftet, aber hochinduktiv). Und die Temperatur beeinflusst den Verlust eines Kondensators.
Kleinere Caps haben einen niedrigeren ESL, aber einen höheren ESR, was das Peaking bekämpfen könnte

Antworten (4)

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!

Vielen Dank für ihre Antwort. Wie ich Otts Kapitel verstanden habe, modelliert er die Spurinduktivität und die ESL für jeden Kondensator als eine 15-nH-Induktivität. Er geht davon aus, dass jeder Kondensator mit seiner eigenen Spur verbunden ist, und ich glaube, dass er den Serienwiderstand (sowohl des Kondensators als auch der Spur) vernachlässigt. Daher vereinfacht er die Dinge und modelliert jeden Kondensator als idealen Kondensator in Reihe mit der 15-nH-Induktivität.
@andresgongora Das ist meine Sorge - er hat etwas modelliert, das die Realität nicht repräsentiert.

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.

Danke für die schnelle Antwort. Mein spezifisches Problem ist, dass ich eine Schaltung mit viel PWM entkoppeln möchte. Das heißt, ich habe keine klaren Grundfrequenzen, auf die ich zielen kann. Sollte ich die Kondensatoren jedoch mit unterschiedlichen Werten behalten?
PWM ist ein bisschen schwierig. Normalerweise ist es eine ziemlich niedrige Frequenz, oder? Eine große Keramik (10 µF oder so) sollte also die interessierenden Frequenzen abdecken. Als Faustregel für Parallelkappen gilt, dass Sie einen "großen" Tankkondensator (kann elektrolytisch oder "großer" MLCC sein) und dann einen kleineren Kondensator haben, um hohe Frequenzen zu erfassen, die auf die grundlegende Schaltfrequenz des IC abgestimmt werden können (denken Sie an Sampling Frequenz, PHY-Signalisierungsfrequenz..). Wenn Sie keinen bestimmten Grund haben, bestimmte Frequenzen wie die Rechteckwellen-Harmonischen zu erfassen, lassen Sie die Parallelschaltung von MLCC-Kappen unterschiedlicher Größe gut genug.
Ich glaube, ich habe Probleme mit den Obertönen (sehr steile Anstiege, die ich mir nicht leisten kann, durch Dämpfung zu verlieren). Auch seine Hochfrequenz (dh für PWM) von bis zu 1 MHz, abhängig von der Konfiguration meines Systems. BEARBEITEN: Nach Ihrer Bearbeitung: Sie empfehlen daher, Kondensatoren mit demselben Wert zu verwenden, oder?
Ironischerweise ist der ursprüngliche Upload immer noch aktiv, aber der Laufwerkslink ist nicht verfügbar.
@ananas-hoi Das muss vor ein paar Jahren mein Laufwerks-Holocaust gewesen sein, da ich das Laufwerk ohne passende Dateien gefüllt hatte, also habe ich im Grunde alles niedergebrannt, bis ich schließlich auf 0 Nutzung kam.

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.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Nun diese Antwort mit 1 Milliohm ESR in jeder Kappe. Zsource ist 50 Ohm.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und jetzt 10 Milliohm ESR für jede Kappe, Zsource ist 50 Ohm.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und zwar mit 10milliOhm in jeder Kappe, mit der Zsource jetzt 1uH + 50 Ohm

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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??]

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Vielen Dank! Ihre Simulationen zeigen deutlich, dass wir, wie von Ott angegeben, bei bestimmten Frequenzen (hier 1,05 MHz, 10,5 MHz und 105 MHz) sehr hohe Antiresonanzspitzen erwarten können. Könnten Sie auch simulieren, was passiert, wenn die Kondensatoren den gleichen Wert haben, um sie zu vergleichen? Mit sagen wir 10mOhm ESR. Ich habe (leider) keinen Zugriff auf den Signal Chain Explorer.
Der Signalketten-Explorer kann kostenlos heruntergeladen werden.
Vielen Dank für den Hinweis. Ich habe selbst ein wenig mit der Software gespielt. Wenn ich also die Experimente beurteile, möchte ich lieber Kondensatoren gleicher Größe verwenden, es sei denn, ich weiß genau, wo mein Rauschen fällt, oder? Da Bulk-Kondensatoren jedoch hohe ESL und ESR haben, können sie problemlos in die Mischung aufgenommen werden. Bitte korrigieren Sie mich, wenn ich das falsch verstanden habe.
Ich denke nicht, dass die Verwendung einer 1R-Dämpfungskappe sinnvoll wäre, da dies die Bypass-Funktionalität, die Sie mit dem Kondensator wünschen, im Wesentlichen zunichte machen würde.
@Barleyman Ich scheue mich davor, eine zusätzliche Impedanz auf den Leistungspfad meiner Anwendung zu legen. Ich habe ähnliche Simulationen wie die von analogsystemsrf durchgeführt und sehe, dass die Antiresonanz komplexer ist als erwartet.
@andresgongora Was hast du über das Umgehen gelernt? hast du die schnellen Flanken erreicht (welche Flankengeschwindigkeiten? der PWM?
Sind diese Simulationswerte nicht etwas übertrieben (unrealistisch schlecht)? ESR-Werte liegen normalerweise im Bereich von 10 Milliohm (0402- und 0603-Kappen) und nicht bei 1 Milliohm. ESL-Werte liegen im Bereich von Hunderten von Picohenry, nicht 10 nH. Sie haben also mit extrem hohem Q gerechnet, wodurch diese Antiresonanz sehr hässlich aussah. Ich schaue mir einige Caps-Spezifikationen an und mache einige Simulationen, also frage ich mich, ob ich etwas falsch mache oder was, aber diese Werte sehen ganz anders aus als deine.

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.

Antiresonanz mehrerer paralleler Entkopplungskondensatoren: gleichen Wert oder mehrere Werte verwenden?
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