Развязывающие конденсаторы: какого размера и сколько?

Вам нужно добавить еще пару вопросов: (c) какой диэлектрик мне следует использовать и (d) где мне разместить конденсатор в моем макете.

Количество и размер зависит от приложения. Для компонентов источника питания критически важным компонентом является ESR (эффективное последовательное сопротивление). Например, в техническом описании MC33269 LDO указано рекомендуемое значение ESR от 0,2 Ом до 10 Ом. Для стабильности требуется минимальное количество СОЭ.

Для большинства логических микросхем и операционных усилителей я использую керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Я размещаю конденсатор очень близко к микросхеме, чтобы путь от выводов конденсатора к земле был очень коротким. Я использую обширные плоскости заземления и питания, чтобы обеспечить пути с низким импедансом.

Для источников питания и сильноточных компонентов каждое приложение отличается. Я следую рекомендациям производителя и размещаю конденсаторы очень близко к микросхеме.

Для массовой фильтрации входной мощности, поступающей на плату, я обычно использую керамический конденсатор X7R емкостью 10 мкФ. Опять же, это зависит от приложения.

Если нет минимального требования ESR для стабильности или мне не нужны очень большие значения емкости, я буду использовать диэлектрики X7R или X5R. Емкость зависит от напряжения и температуры. В настоящее время нетрудно достать доступные по цене керамические конденсаторы емкостью 10 мкФ. Вам не нужно указывать номинальное напряжение для керамических конденсаторов. При номинальном напряжении емкость находится в допустимом диапазоне. Если вы не увеличите напряжение выше диэлектрического пробоя, вы только потеряете емкость. Обычно диэлектрическая прочность в 2-3 раза превышает номинальное напряжение.

Существует очень хорошее примечание по применению заземления и развязки Пола Брокау под названием «Руководство пользователя усилителя ИС по развязке, заземлению и обеспечению правильной работы для изменения».

Я использую следующие эмпирические правила для своих цифровых схем:

Каждая пара контактов блока питания должна иметь свой керамический конденсатор X7R емкостью 100 нФ. Он должен быть как можно ближе к штифтам. Лучше всего, если линия питания сначала проходит мимо конденсатора, а затем к выводу, но в большинстве случаев в этом нет необходимости.

Конденсаторы на микросхемах никак не связаны с пульсациями от блока питания. Они необходимы для развязки , то есть для удовлетворения быстрых изменений тока питания для соответствующей ИС. Провода от источника питания к ИС сравнительно длинные и имеют некоторую индуктивность, что предотвращает быстрые изменения тока. В этом случае напряжение питания на ИС может выйти за допустимые пределы, и ИС может ложно выйти из строя или, в крайних случаях, выйти из строя.

Вход и выход регулятора напряжения должны иметь конденсатор в соответствии с его паспортом, в частности, с правильным значением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Если вы сделаете это неправильно, регулятор может колебаться, особенно для регуляторов с малым падением напряжения (LDO).

Для аналоговых схем X7R может оказаться неподходящим материалом, так как обладает относительно большим пьезоэлектрическим эффектом. То есть механические вибрации могут вызывать изменения напряжения и наоборот. C0G в этом отношении лучше. Хотя это предостережение в основном относится к сигнальным путям.

Как я уже сказал в комментарии, вы, вероятно, имеете в виду развязывающие конденсаторы , а не сглаживающие конденсаторы.

Назначение развязывающих конденсаторов состоит не в том, чтобы избавиться от пульсаций вашего источника питания, а в том, чтобы улавливать сбои. ИС может потребоваться много дополнительного тока на короткое время, например, когда тысячи транзисторов переключаются одновременно. Индуктивность дорожек на печатной плате может препятствовать тому, чтобы источник питания мог обеспечить это так быстро. Таким образом, развязывающие конденсаторы используются в качестве локальных буферов энергии, чтобы преодолеть это.

Это означает, что рассчитать, какое значение должны иметь конденсаторы, непросто. Значение зависит от индуктивности дорожек печатной платы и пиков тока, которые ваша микросхема оказывает на источник питания. Большинство инженеров размещают конденсаторы X7R емкостью 100 нФ как можно ближе к выводам питания микросхемы. Один конденсатор на контакт питания. Хорошая распиновка микросхемы будет иметь контакт заземления рядом с каждым контактом питания, поэтому вы можете сделать петлю как можно короче.

Для маломощных ИС конденсаторов емкостью 10 нФ может быть достаточно, и они могут быть предпочтительнее конденсаторов емкостью 100 нФ из-за их меньшей внутренней индуктивности. По этой причине вы также найдете 10 нФ параллельно 100 нФ. В этом случае меньший конденсатор должен быть ближе всего к контактам.

Конденсаторы из X7R (и уж тем более Y5V) имеют огромную зависимость от емкости/напряжения. Вы можете сами убедиться в этом в прекрасном браузере онлайн-характеристик продуктов Murata (Simsurfing) по адресу ttp://ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/.

Поразительна зависимость керамического конденсатора от напряжения. Для конденсатора X7R нормально иметь не более 30% номинальной емкости при номинальном напряжении. Например, 10 мкФ конденсатор Murata GRM21BR61C106KE15 (упаковка 0805, X5R), рассчитанный на 16 В, даст вам емкость всего 2,3 мкФ при 12 В постоянного тока при температуре 25 ° C. Y5V в этом отношении намного хуже.

Чтобы получить емкость, близкую к 10 мкФ, вы должны использовать GRM32DR71E106K с номиналом 25 В (корпус 1210, X7R), который дает 7,5 мкФ при тех же условиях.

Помимо зависимости от постоянного напряжения (и температуры), настоящие «керамические микросхемы-конденсаторы» имеют сильную частотную зависимость, когда действуют как шунты развязки мощности. На сайте Murata представлены графики частотных зависимостей |Z|, R и X для их конденсаторов, просмотр которых дает вам представление о фактической производительности части, которую мы называем «конденсатором», на разных частотах.

Реальный керамический конденсатор можно смоделировать идеальным конденсатором (C), соединенным последовательно с внутренним сопротивлением (Resr) и индуктивностью (Lesl). Существует также R-изоляция параллельно C, но если вы не превысите номинальное напряжение конденсатора, это неважно для приложений с развязкой по мощности.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Таким образом, чиповые керамические конденсаторы будут действовать как конденсаторы только до определенной частоты (саморезонансной для последовательного LC-контура, которой фактически является реальный конденсатор), выше которой они начинают действовать как катушки индуктивности. Эта частота Fres равна sqrt(1/LC) и определяется как составом керамики, так и геометрией конденсатора — как правило, меньшие корпуса имеют более высокое значение Fres. и определяет минимальное полное сопротивление, которое может обеспечить конденсатор. Обычно оно находится в диапазоне миллиом.

На практике для хорошей развязки я использую 3 типа конденсаторов.

Более высокая емкость около 10 мкФ в корпусе 1210 или 1208 на интегральную схему, которая охватывает диапазон от 10 кГц до 10 МГц с шунтом менее 10-15 мОм для шума линии электропередачи.

Затем на каждый вывод питания микросхемы я поставил два конденсатора: один 100 нФ в корпусе 0806, покрывающий диапазон от 1 МГц до 40 МГц с шунтом 20 мОм, и один 1 нФ в корпусе 0603, покрывающий диапазон от 80 МГц до 400 МГц с шунтом 30 мОм. Это более или менее охватывает диапазон от 10 кГц до 400 МГц для фильтрации шума линии электропередач.

Для чувствительных силовых цепей (таких как цифровая PLL и особенно аналоговая мощность) я поставил ферритовые бусины (опять же, у Murata есть браузер характеристик для них) с номиналом от 100 до 300 Ом на частоте 100 МГц. Также рекомендуется разделить заземление между чувствительными и обычными силовыми цепями. Таким образом, общая схема схемы питания ИС выглядит следующим образом: 10 мкФ C6 на корпус ИС и 1 нФ/100 нФ C4/C5 на каждый вывод питания:

^{смоделируйте эту схему}

Говоря о трассировке и размещении - питание и земля сначала подводятся к конденсаторам, только на конденсаторах мы подключаемся к силовым и заземляющим слоям через переходные отверстия. Конденсаторы емкостью 1 нФ расположены ближе к выводам микросхемы. Конденсаторы должны быть размещены как можно ближе к выводам питания, не более 1 мм длины дорожки от площадки конденсатора до площадки микросхемы.

Переходные отверстия и даже короткие дорожки на печатной плате создают значительную индуктивность для частот и емкости, с которыми мы имеем дело. Например, переходное отверстие диаметром 0,5 мм на печатной плате толщиной 1,5 мм имеет индуктивность 1,1 нГн от верхнего до нижнего слоя. Для конденсатора 1 нФ это приводит к частоте, равной всего 15 МГц. Таким образом, подключение конденсатора через переходное отверстие делает конденсатор емкостью 1 нФ с низким Resr непригодным для использования на частотах выше 15 МГц. На самом деле реактивное сопротивление 1,1 нГн на частоте 100 МГц равно 0,7 Ом.

След длиной 1 мм и шириной 0,2 мм, расположенной на расстоянии 0,35 мм над плоскостью питания, будет иметь сравнимую индуктивность 0,4 нГн, что опять-таки делает конденсаторы менее эффективными. много смысла.

Если вы используете большие электролиты для сглаживания напряжения питания, не забудьте добавить параллельно маленькие керамические конденсаторы для высоких частот. Электролитические колпачки на самом деле выглядят как катушки индуктивности на высоких частотах.

• 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

Если это не очень требовательная схема, разбросайте несколько конденсаторов X7R емкостью 100 нФ. Если у вас нет слоев питания, держите их рядом с парой контактов устройства, в идеале — прямо над ними.

Если ваша схема потребляет много энергии на высоких частотах, вам необходимо спроектировать систему распределения мощности (PDS). У Xilinx есть разумное представление об этом. На si-list также много дискуссий .

Следующий вопрос: «Каковы хорошие эмпирические правила, чтобы решить, достаточно ли требовательна моя схема, чтобы выйти за рамки эмпирических правил для проектирования развязки?» :)

Сглаживающий конденсатор должен быть помещен, как вы сказали, в цепь на случай скачков тока, вызванных изменением нагрузки. При размещении сглаживающего конденсатора располагайте его как можно ближе к выводу IC. Значение от 47 мкФ до примерно 100 мкФ должно быть достаточным.

Проверить:

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

для получения некоторой информации о разъяснении различных способов использования конденсаторов в цепях.

Значение емкости резервуара или сглаживающего конденсатора является произведением максимального тока, требуемого схемой, и времени восстановления регулятора под нагрузкой... (ни один регулятор не реагирует мгновенно)...

В цепи, где требования по току постоянны, 10 мкФ - 22 мкФ должно быть достаточно...

Для цепей, в которых потребляемый ток быстро колеблется, может потребоваться емкость конденсатора в сотни мкФ...

В недавней сборке с питанием 3,3 В и внезапным запросом на 250 мА для поддержания стабильности потребовался конденсатор емкостью 470 мкФ...