Condensadores de desacoplamiento: ¿de qué tamaño y cuántos?


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Muchos chips hoy en día requieren condensadores de suavizado entre VCC y GND para su correcto funcionamiento. Dado que mis proyectos se ejecutan en todo tipo de diferentes niveles de voltaje y corriente, me preguntaba si alguien tenía alguna regla general para a) cuántos yb) qué condensadores de tamaño deberían usarse para garantizar que la ondulación de la fuente de alimentación no afecte a mi circuitos?


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Los condensadores de suavizado son lo que usa en las fuentes de alimentación después de rectificar, para deshacerse de la mayor parte de la ondulación. De lo que estás hablando es de condensadores de desacoplamiento.
stevenvh

Tengo una pregunta relacionada (perdón por el secuestro), ¿podrían los condensadores de cerámica funcionar tan bien para desacoplar las tapas?

Respuestas:


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Debe agregar un par de preguntas más: (c) qué dieléctrico debo usar y (d) dónde coloco el capacitor en mi diseño.

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

Para la mayoría de los circuitos integrados y amplificadores operacionales lógicos, uso un condensador de cerámica de 0.1uF. Coloco el condensador muy cerca del CI para que haya un camino muy corto desde los cables del condensador a tierra. Utilizo extensos planos de tierra y energía para proporcionar caminos de baja impedancia.

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 del CI.

Para el filtrado masivo de las entradas de energía que entran en la placa, normalmente usaré un condensador X7R de cerámica de 10uF. Nuevamente, esto varía con la aplicación.

A menos que haya un requisito mínimo de ESR para la estabilidad o necesite valores muy grandes de capacitancia, usaré dieléctricos X7R o X5R. La capacitancia varía con el voltaje y la temperatura. Actualmente no es difícil obtener condensadores cerámicos asequibles de 10uF. No necesita especificar en exceso la clasificación de voltaje en los condensadores de cerámica. A la tensión nominal, la capacitancia está dentro del rango de tolerancia. A menos que aumente el voltaje por encima de la ruptura dieléctrica, solo está 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 por Paul Brokaw llamada "Una guía del usuario del amplificador IC para desacoplar, conectar a tierra y hacer que las cosas salgan bien para un cambio".


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Utilizo las siguientes reglas generales para mis circuitos digitales:

Cada par de pines de las fuentes de alimentación debe tener su condensador cerámico X7R de 100nF. Debe estar lo más cerca posible de los pasadores. Lo mejor es si la línea de suministro pasa por el condensador 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 fuente de alimentación. 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 CI son relativamente largos y tienen cierta inductancia, lo que evita cambios rápidos de la corriente. El voltaje de la fuente de alimentación en el IC puede salir del rango y el IC puede funcionar incorrectamente o, en casos extremos, dañarse.

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


"La salida de la fuente de alimentación normalmente debería tener un condensador de 10 µF. Verifique la hoja de datos de la hoja de datos del regulador de voltaje para conocer el valor de ESR requerido; si lo hace mal, el regulador puede oscilar". ¿Es para disminuir la onda de la PSU? ¿Puedes explicar cómo hacerlo "bien"?
MikeTeX

Edité la pregunta un poco, reflejando mi comprensión 5 años después.
starblue

¡Es la primera vez que escucho sobre el efecto piezoeléctrico, que afecta a los condensadores! Gracias.
not2qubit

Aquí está el documento TDK para mayúsculas.
not2qubit

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

El propósito de los condensadores de desacoplamiento no es deshacerse de la ondulación de la fuente de alimentación, sino detectar fallas. Un IC puede necesitar mucha corriente extra por un corto 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 de energía locales 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 los picos de corriente que su IC excede en la fuente de alimentación. La mayoría de los ingenieros colocarán capacitores XnR 100nF lo más cerca posible de los pines de alimentación del IC. Un condensador por pin de alimentación. Un buen pinout IC tendrá un pin de tierra al lado de cada pin de alimentación, por lo que puede mantener el bucle lo más corto posible.

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


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Como se muestra en otra respuesta [ electronics.stackexchange.com/questions/25280/… , el límite de valor más bajo en el mismo tamaño de paquete no tiene una inductancia mucho menor. Pero si va a un paquete más pequeño para obtener una inductancia más baja, es posible que se vea obligado a usar un valor de capacitancia más pequeño para obtener el WV que desea.
The Photon

Hace solo unos años, 0.1 uF en 0402 todavía era algo exótico, caro y de baja confiabilidad. En aquellos días, un 0402 a 0.01 uF en paralelo con un 0.1 uF en 0603 era una configuración muy común. Ahora 0.1 uF en 0402, como han recomendado varias respuestas, es una tecnología madura y un estándar ampliamente utilizado para desacoplar circuitos lógicos.
The Photon

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Además, agregaría a su lista de cosas a tener en cuenta al elegir el condensador: ¿Cuál es el rango de frecuencia de las corrientes transitorias extraídas por el chip que se desacopla; y qué tan sensible es ese chip y otros en el circuito a la fluctuación de voltaje.
The Photon

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Los condensadores hechos de X7R (y aún más Y5V) tienen una gran capacidad / dependencia de voltaje. Puede verificarlo 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 Murata de 10uF GRM21BR61C106KE15 (paquete 0805, X5R) clasificado para 16V le dará solo una capacidad de 2.3uF con 12V DC aplicado a una temperatura de 25C. Y5V es mucho peor a este respecto.

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

Además de las dependencias de voltaje (y temperatura) de CC, el verdadero "condensador de chip de cerámica" tiene una fuerte dependencia de frecuencia cuando actúa como derivaciones de desacoplamiento de potencia. El sitio de Murata proporciona gráficos de dependencias de frecuencia | Z |, R y X para sus condensadores, la exploración de estos le da una idea del rendimiento real de la parte que llamamos "condensador" a diferentes frecuencias.

El condensador de cerámica real puede modelarse 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 supere el voltaje nominal del condensador, no es importante para las aplicaciones de desacoplamiento de potencia.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con 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, que es 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 cerámica como por la geometría del condensador; generalmente, los paquetes más pequeños tienen Fres más alto. Además, los condensadores tienen un componente puramente resistivo (Resr) que resulta principalmente de las pérdidas en la cerámica y determina la impedancia mínima que puede proporcionar el condensador. Por lo general, está en el rango de mili-ohmios.

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

Mayor capacidad de aproximadamente 10uF en 1210 o 1208 paquetes por circuito integrado, que cubre 10KHz a 10MHz con menos de 10-15 mili-Ohm shunt para ruido de la línea de alimentación.

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

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

esquemático

simular este circuito

Hablando de enrutamiento y colocación: la energía y la tierra se enrutan primero a los condensadores, solo en los condensadores que conectamos a los planos de energía y 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 allá de una longitud de traza de 1 mm desde la almohadilla del condensador hasta la almohadilla IC.

Vias e incluso trazas cortas en PCB representan una inductancia significativa para las frecuencias y capacitancia con las que estamos tratando. Por ejemplo, un diámetro de 0,5 mm en una PCB de 1,5 mm de grosor tiene una inductancia de 1,1 nH desde la capa superior a la inferior. Para condensador de 1nF que da como resultado Fres igual a solo 15MHz. Por lo tanto, la conexión de un condensador a través de vía hace que el condensador de 1nF de baja Resr sea inutilizable a frecuencias superiores a 15MHz. De hecho, la reactancia 1.1nH a 100MHz es tanto como 0.7 Ohm.

La traza de 1 mm de longitud y 0.2 mm de ancho, 0.35 mm por encima del plano de potencia tendrá una inductancia comparable de 0.4nH, lo que nuevamente hace que los condensadores sean menos eficientes, por lo tanto, tratar de limitar la longitud de traza de los condensadores a una fracción de mm y hacerlos lo más anchos posible hace que Mucho sentido.


¿Cómo separar los motivos en una sola PCB? Añadir otra fuente de alimentación? Por lo que escuché incluso si se usan dos PSU (por ejemplo, una para alimentar el motor, otra para IC), entonces se recomienda hacer que los motivos sean comunes.
Ivan Balashov

Haces subplanos de PCB separados para la alimentación y las tierras analógicas, únete luego a través de un solo puente, como el de la imagen de arriba (JUMPER 0 Ohm). Misma separación de subplanos para potencia analógica y digital. Alimente la potencia analógica a través del cordón de ferrita, como se muestra en la imagen de arriba (FB). Dirija los cables analógicos solo por encima de los planos analógicos, y los cables digitales, solo por encima de los planos digitales (alimentación y tierra). Esto supone al menos 4 capas de PCB normalmente. Idealmente, pase los cables por encima de la capa de tierra.
vleo

Esta es realmente una de las mejores respuestas que he visto sobre este tema. Gracias.
not2qubit

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


¿Qué tipo de rango de frecuencia es "altas frecuencias"?
frijol

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Si no es un circuito muy exigente, esparza algunas tapas XnR de 100nF. Si no tiene aviones de potencia, manténgalos cerca de un par de pines del dispositivo, directamente a través de ellos idealmente.

Si su circuito consume mucha energía, a altas frecuencias, debe diseñar su sistema de distribución de energía (PDS). Xilinx tiene una 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 exige lo suficiente como para estar más allá de las reglas generales para el diseño de desacoplamiento?" :)


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

Revisa:

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

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


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La ubicación de las tapas de 47 uF-100 uF es mucho menos importante que las de menor valor.
Brian Carlton

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El valor del depósito o 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 un circuito donde las demandas actuales son constantes, 10uF - 22uF deberían ser suficientes ...

Para los circuitos donde las demandas de corriente fluctúan rápidamente, se puede requerir 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 requería un valor de condensador de 470 uF para mantener la estabilidad ...

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