Patrón de diseño de la fuente de alimentación con varios capacitores

stevenh ya lo dijo bastante bien, pero lo más probable es que sean desacopladores de los condensadores.

Los condensadores de desacoplamiento, o los condensadores de bypass , son condensadores destinados a suavizar el flujo de energía en partes específicas del circuito o en circuitos integrados específicos. El cambio de las demandas de energía creará un "hundimiento" en la fuente de alimentación a medida que cambia para cumplir con las demandas de corriente de salida. Esto baja el voltaje. Estos condensadores actuarán como "almacenamiento local" de la carga durante un evento transitorio que enmascara efectivamente el pandeo de la fuente de alimentación a la carga que se pasa por alto / desacopla.

De una manera muy tonta, imagínala como una tubería. Un extremo es su fuente de alimentación y el otro es su carga. La fuente de alimentación se ajusta para suministrar lo que la carga está demandando. Si la carga cambia, podría tomar temporalmente suficiente agua (energía) de la tubería hasta el punto en que la tubería no esté completamente llena. La tubería que no está llena es el equivalente a la caída de su voltaje. Esto es lo que sucede todo el tiempo en una fuente de alimentación ... la carga cambia, y la tensión se hunde ligeramente a medida que la fuente de alimentación intenta suministrar suficiente corriente para satisfacer las demandas ... luego, eventualmente, la tensión vuelve a subir una vez que la fuente de alimentación ha cambiado. su salida de corriente para satisfacer las demandas.

Ahora, un condensador de desacoplamiento es como agregar un tanque grande en parte superior de la tubería. Cuando la tubería está llena ... el condensador no puede vaciar nada de su agua. Sin embargo, cuando la carga es lo suficientemente grande y la fuente de alimentación no puede suministrarla lo suficientemente rápido ... el tanque deja salir algo de su agua para mantener la tubería llena hasta que la fuente de alimentación pueda suministrar la corriente dada.

En cuanto a por qué son valores diferentes, las diferentes partes del circuito requerirán diferentes cantidades de energía. Por lo general, verá grandes mayúsculas (en las decenas de microfaradios, en este caso, los grandes de 100uF) cerca de la salida de la fuente de alimentación en sí misma ... Por lo general, veo que esto se conoce como "volumen" ... esto es realmente grande Transitorios que tiran mucho poder. Los valores más pequeños son para cosas con dibujantes de corriente más pequeños.

También hay algunas matemáticas detrás de la capacitancia, creo, con respecto a qué tan rápido el capacitor puede renunciar a su energía por un evento transitorio. Una capacitancia menor es mejor para transitorios de alta frecuencia, etc.

A veces, los condensadores de desacoplamiento para los componentes diferentes se muestran todos en un solo lugar (no es IMHO ideal porque no se puede decir de un vistazo a qué pertenecen), pero como es una placa FPGA, es bastante seguro para asumir que todos están dedicados al FPGA (es decir, un componente) que hace que la respuesta sea un poco diferente a la de "desacoplamiento general" (por ejemplo, baja frecuencia: solo coloque un límite de 100 nF en cada componente ... esto Es la misma idea, solo un poco más involucrada debido al mayor rendimiento)

Los condensadores reales no son ideales, también tienen propiedades inductivas y resistivas. Esto significa que el rendimiento de los diferentes tipos varía en diferentes frecuencias.

La razón por la que ve condensadores paralelos como este (asumiendo que todos se usan para el mismo componente, por ejemplo, FPGA, no para desacoplar componentes separados en diferentes partes de la placa) es para mantener la impedancia en un amplio rango de frecuencias (preferiblemente todas las frecuencias involucradas en su diseño)
¿Por qué no usamos un condensador grande? Debido a los diferentes rendimientos de frecuencia descritos anteriormente. Con algunos componentes de alto rendimiento (muchas puertas que cambian a altas velocidades) uno o dos condensadores por riel no son suficientes. Un capacitor disminuirá en impedancia a medida que aumenta la frecuencia, hasta que alcance su frecuencia de resonancia propia , en cuyo punto aumentará la impedancia y tendrá un aspecto inductivo. De esto podemos ver que la inductancia del paquete es clave para el rango de frecuencia útil de los condensadores.

Si tomamos un par de ejemplos reales:

Este 33uF Vishay electrolytic da un equivalente Inductancia de serie (ESL) de 13nH, por lo que la SRF será:

1 / (2pi * sqrt (13-9 * 33e-6)) = 243kHz.

Menos de 1MHz: esto será completamente inadecuado para las frecuencias más altas.

Para observar un condensador cerámico típico de 0603 100nF con un ESL de = < 2nH:

1 / (2pi * sqrt (2e-9 * 100e-9)) = 11.25MHz

Puede obtener condensadores "especializados" con más de dos conductores (por ejemplo, 6, 8, 10, etc.) para reducir los ESL (inductores en paralelo = menos inductancia), con SRF de más de un GHz. El rango Murata LLL es un ejemplo:

Esfácilverladiferenciaquehacelainductanciadelpaquete(ytambiénlospuntosSRF).Paraayudaravisualizarlascosas,echeunvistazoaestegráficodesdeunaexcelente nota de la aplicación Xilinx (que va en mucho más detalle de lo que es posible aquí):

Puede ver al hacer un paralelo de un rango de valores con SRF espaciados a intervalos regulares, logramos una baja impedancia en un amplio rango. Esto es crítico en el diseño digital de alta frecuencia. Tenga en cuenta que cuanto más bajo sea el valor, más capacitadores se necesitarán para alcanzar una cantidad adecuada de capacitancia, es por eso que (generalmente) ve más de los valores más bajos. Tenga en cuenta que lo que importa es la inductancia, por lo que si puede encontrar una capacitancia mayor con la misma inductancia del paquete, entonces utilícela (si fuera mucho más fácil un límite de 100uF con una vida útil de 10pF)
Sin embargo, en general, cuanto más pequeña sea la capacitancia, menor será el paquete / inductancia (a menos que use más cables como la serie LLL mencionada anteriormente), pero tiene sentido usar la capacitancia máxima por tamaño de paquete.
La potencia sólida y los planos de tierra también contribuyen a la capacitancia distribuida y facilitan las rutas de retorno cortas, por lo que también se convierten en una muy buena idea (es casi esencial) en tales circuitos.

Todos ellos pertenecen a un lugar diferente de su PCB. Esta forma de dibujo a veces se realiza para los muchos condensadores de desacoplamiento en una placa digital para evitar que se saturen aún más el cableado ya complejo, pero es un Bad Habit ™.

Los condensadores de desacoplamiento deben dibujarse especialmente donde pertenezcan: cerca de los pines. Para que el hombre de diseño de PCB también sepa que deben estar físicamente cerca también. Ahora, probablemente uno de los 4,7 µF o 470 nF sea necesario cerca de la salida de un regulador para mantenerlo estable, y usted no sabe cuál.