Condensadores de desacoplamiento: ¿qué tamaño y cuántos?

Debe agregar un par de preguntas más: (c) qué dieléctrico debo usar y (d) ¿Dónde coloco el condensador en mi diseño?

La cantidad y el tamaño varían según la aplicación. Para componentes de alimentación. El ESR (resistencia en serie efectiva) es un componente crítico. Por ejemplo, la hoja de datos LDO del MC33269 enumera una recomendación de ESR de 0.2 Ohms a 10 Ohms. Hay una cantidad mínima de ESR requerido para la estabilidad.

Para la mayoría de los circuitos integrados lógicos y amplificadores operacionales, utilizo un condensador cerámico de 0.1uF. Coloco el capacitor muy cerca del IC, de modo que hay un camino muy corto desde los cables del condensador al suelo. Uso extensos planos de tierra y energía para proporcionar baja impedancia caminos.

Para la fuente de alimentación y los componentes de alta corriente, cada aplicación es diferente. Sigo las recomendaciones del fabricante y coloco los condensadores muy cerca. al IC.

Para el filtrado a granel de las entradas de energía que entran en la placa, normalmente utilizaré un Condensador X7R cerámico 10uF. De nuevo, esto varía con la aplicación.

A menos que exista un requisito de ESR mínimo para la estabilidad o que necesite muy grande Los valores de capacitancia utilizaré los dieléctricos X7R o X5R. Capacidad Varía con la tensión y la temperatura. Actualmente no es difícil conseguirlo. Condensadores cerámicos de 10uF asequibles. No es necesario sobreescribir el voltaje. Clasificación en condensadores cerámicos. A la tensión nominal, la capacitancia está dentro de El rango de tolerancia. A menos que aumente la tensión por encima de la ruptura dieléctrica solo estas perdiendo capacitancia Típicamente la resistencia dieléctrica es de 2 a 3 veces La tensión nominal.

Hay una muy buena nota de aplicación sobre la conexión a tierra y el desacoplamiento de Paul Brokaw llamado "Guía del usuario para el desacoplamiento de un amplificador IC, Toma de tierra,. y hacer que las cosas salgan bien para un cambio ".

Utilizo las siguientes reglas generales para mis circuitos digitales:

Cada par de pines de fuentes de alimentación debe obtener su condensador cerámico X7R de 100 nF. Debe estar lo más cerca posible de los pines. Lo mejor es si la línea de suministro pasa por el capacitor primero antes de ir al pin, pero la mayoría de las veces esto no es necesario.

Los condensadores en los circuitos integrados no tienen nada que ver con la ondulación de la PSU. Son necesarios para el desacoplamiento , es decir, para satisfacer cambios rápidos en la corriente de la fuente de alimentación para el IC respectivo. Los cables de la fuente de alimentación al IC son comparativamente largos y tienen cierta inductancia, lo que evita los cambios rápidos de la corriente. El voltaje de la fuente de alimentación en el IC puede entonces estar fuera del rango y el IC puede fallar de manera falsa o, en casos extremos, dañarse.

La entrada y la salida del regulador de voltaje deben obtener un condensador de acuerdo con su hoja de datos, en particular con un valor correcto de resistencia en serie equivalente (ESR). Si lo hace mal, el regulador puede oscilar, especialmente para los reguladores de voltaje de baja caída (LDO).

Para circuitos analógicos, X7R puede no ser el material correcto, ya que tiene un efecto piezoeléctrico relativamente grande. Es decir, las vibraciones mecánicas pueden causar cambios de voltaje y viceversa. C0G es mejor en ese sentido. Aunque esta advertencia se aplica principalmente a las rutas de señal.

Como dije en el comentario, probablemente te refieres a condensadores de desacoplamiento , no a los condensadores de suavizado.

El propósito del desacoplamiento de los condensadores no es deshacerse de la ondulación de la fuente de alimentación, sino detectar fallos. Un IC puede necesitar mucha corriente adicional durante un breve período de tiempo, por ejemplo, cuando miles de transistores cambian al mismo tiempo. La inductancia de las trazas de la PCB puede evitar que la fuente de alimentación pueda entregar esto tan rápido. Por lo tanto, los condensadores de desacoplamiento se utilizan como amortiguadores locales de energía para superar esto.

Esto significa que no es fácil calcular qué valor deberían tener los condensadores. El valor depende de la inductancia de las trazas de la PCB y de los picos de corriente que su IC ejerce sobre la fuente de alimentación. La mayoría de los ingenieros colocarán los condensadores 100nF X7R lo más cerca posible de los pines de alimentación del IC. Un condensador por pin de potencia. Un buen pinout de IC tendrá un pin de tierra junto a cada pin de alimentación, para que pueda mantener el bucle lo más corto posible.

Para circuitos integrados de baja potencia, los condensadores de 10 nF pueden ser suficientes y pueden preferirse a los de 100 nF debido a su menor inductancia interna. Por esta razón, también encuentras 10nF paralelos a los 100nF. En este caso, el capacitor más pequeño debe estar más cerca de los pines.

Si está usando electrolíticos grandes para suavizar una fuente de alimentación, no olvide agregar pequeñas tapas de cerámica en paralelo para las altas frecuencias. Las tapas electrolíticas realmente parecen inductores a altas frecuencias.

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Los condensadores hechos de X7R (y aún más, Y5V) tienen una gran dependencia de capacidad / voltaje. Puede comprobarlo usted mismo en el excelente navegador de características en línea de productos Murata (Simsurfing) en ttp: //ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/

La dependencia del voltaje del condensador cerámico es sorprendente. Es normal que el condensador X7R no tenga más del 30% de la capacidad nominal a la tensión nominal. Por ejemplo, el condensador 10MF Murata GRM21BR61C106KE15 (paquete 0805, X5R) clasificado para 16V le dará solo 2.3uF de capacidad con 12V DC aplicados a una temperatura de 25C. Y5V es mucho peor en este sentido.

Para obtener una capacidad cercana a los 10uF, debe utilizar GRM32DR71E106K (1210, X7R) con capacidad de 25 V, que proporciona 7.5uF en las mismas condiciones.

Además de las dependencias del voltaje de CC (y la temperatura), el "condensador de chip cerámico" real tiene una fuerte dependencia de la frecuencia cuando actúa como derivación de desacoplamiento de energía. El sitio de Murata proporciona gráficos de dependencias de frecuencia | Z |, R y X para sus capacitores, al examinarlos, se obtiene una visión del rendimiento real de la parte que llamamos "capacitor" en diferentes frecuencias.

El condensador cerámico real se puede modelar mediante un condensador ideal (C) conectado en serie con resistencia interna (Resr) e inductancia (Lesl). También hay aislamiento R en paralelo con C, pero a menos que se exceda el voltaje nominal del capacitor, no es importante para las aplicaciones de desacoplamiento de energía.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Por lo tanto, los condensadores cerámicos de chip actuarán como condensadores solo hasta una cierta frecuencia (auto resonante para el contorno LC en serie en el que se encuentra el capacitor real), por encima del cual comienzan a actuar como inductores. Esta frecuencia Fres es igual a sqrt (1 / LC) y está determinada tanto por la composición de la cerámica como por la geometría del condensador; generalmente los paquetes más pequeños tienen una Fres más alta. Además, los condensadores tienen un componente puramente resistivo (Resr) que resulta principalmente de las pérdidas en la cerámica. y determina la impedancia mínima que el capacitor puede proporcionar. Suele estar en el rango de mili-ohmios.

En la práctica, para un buen desacoplamiento utilizo 3 tipos de condensadores.

Mayor capacidad de aproximadamente 10uF en un paquete de 1210 o 1208 por circuito integrado, que cubre 10KHz a 10MHz con menos de 10-15 mili-Ohm de derivación para el ruido de la línea eléctrica.

Luego, por cada pin de alimentación IC, coloco dos condensadores: un paquete de 100 nF en 0806 que cubre 1 MHz a 40 MHz con una derivación de 20 mili-ohmios y un paquete de 1nF en 0603, que cubre de 80 MHz a 400 MHz con una derivación de 30 mili ohmios. Esto cubre más o menos el rango de 10KHz a 400MHz para filtrar el ruido de la línea eléctrica.

Para circuitos de alimentación sensibles (como PLL digital y, especialmente, potencia analógica), coloco perlas de ferrita (de nuevo, Murata tiene características características del navegador) clasificadas de 100 a 300 ohmios a 100 MHz. También es una buena idea separar los terrenos entre circuitos de alimentación sensibles y regulares. Por lo tanto, el esquema general del plan de energía de IC se ve así, con 10uF C6 por paquete de IC y 1nF / 100nF C4 / C5 por cada pin de potencia:

^{simular este circuito}

Hablando de enrutamiento y colocación: la potencia y la conexión a tierra se envían a los condensadores primero, solo a los condensadores que conectamos a los planos de alimentación y conexión a tierra a través de vías. Los condensadores de 1nF se colocan más cerca de los pines IC. Los condensadores deben colocarse lo más cerca posible de los pines de alimentación, no más de 1 mm de longitud de la almohadilla del condensador a la almohadilla IC.

Vias e incluso trazas cortas en PCB representan una inductancia significativa para las frecuencias y la capacitancia con las que estamos tratando. Por ejemplo, un diámetro de 0,5 mm a través de PCB de 1,5 mm de grosor tiene una inductancia de 1,1 nH desde la capa superior a la inferior. Para un condensador de 1nF que resulta en Fres igual a solo 15MHz. Por lo tanto, la conexión de un condensador a través de un condensador de 1nF bajo Resr no se puede utilizar en frecuencias superiores a 15MHz. De hecho, la reactancia 1.1nH a 100MHz es de hasta 0.7 Ohm.

El trazado de 1 mm de longitud 0,2 mm de ancho, 0,35 mm por encima del plano de potencia tendrá una inductancia comparable de 0,4 nH, lo que a su vez hace que los condensadores sean menos eficientes, por lo que se trata de limitar la longitud del rastreo de los condensadores a una fracción de mm y hacerlos tan anchos como lo posible tiene mucho sentido.

Si no es un circuito muy exigente, dispersa algunas tapas de 100 nF X7R. Si no tiene aviones eléctricos, manténgalos cerca de un par de pines del dispositivo, idealmente a través de ellos.

Si su circuito está consumiendo mucha potencia, a altas frecuencias, necesita diseñar su sistema de distribución de energía (PDS). Xilinx tiene un introducción razonable a esto. También hay mucha discusión sobre si-list .

La siguiente pregunta es "¿cuáles son las buenas reglas generales para decidir si mi circuito es lo suficientemente exigente como para estar más allá de las reglas básicas para el diseño de desacoplamiento?" :)

Se debe colocar un condensador de suavizado, como se indicó, en el circuito en caso de picos de corriente causados por cambios de carga. Cuando coloque un condensador de alisado, colóquelo lo más cerca posible del pin IC. Un valor de 47uf a aproximadamente 100uf debería ser suficiente.

Echa un vistazo:

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para obtener información sobre cómo aclarar los diferentes usos de los condensadores en los circuitos.

El valor del depósito o del condensador de suavizado es un producto de la corriente máxima requerida por el circuito y el tiempo de recuperación del regulador bajo carga ... (ningún regulador reacciona instantáneamente) ...

En el circuito donde las demandas actuales son constantes, 10uF - 22uF debería ser suficiente ...

Para circuitos donde las demandas de corriente fluctúan rápidamente, puede requerirse un valor de condensador en cientos de uF ...

En una construcción reciente con un suministro de 3.3 voltios y una demanda repentina de 250 mA, se requirió un valor de condensador de 470uF para mantener la estabilidad ...