Viele Chips benötigen heutzutage Glättungskondensatoren zwischen VCC und GND für eine ordnungsgemäße Funktion. Angesichts der Tatsache, dass meine Projekte auf allen möglichen Spannungs- und Strompegeln ausgeführt werden, habe ich mich gefragt, ob jemand Faustregeln für a) wie viele und b) welche Größe Kondensatoren verwendet werden sollten, um sicherzustellen, dass die Welligkeit des Netzteils meine nicht beeinträchtigt Schaltkreise?
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Sie müssen noch ein paar Fragen hinzufügen - (c) welches Dielektrikum soll ich verwenden und (d) wo platziere ich den Kondensator in meinem Layout.
Die Menge und Größe variiert je nach Anwendung. Bei Netzteilkomponenten ist der ESR (Effective Series Resistance) eine kritische Komponente. Zum Beispiel enthält das LDO-Datenblatt des MC33269 eine ESR-Empfehlung von 0,2Ohm bis 10Ohm. Für die Stabilität ist ein Mindestmaß an ESR erforderlich.
Für die meisten Logik-ICs und Operationsverstärker verwende ich einen 0,1-uF-Keramikkondensator. Ich platziere den Kondensator sehr nahe am IC, so dass der Weg vom Kondensator zur Erde sehr kurz ist. Ich verwende ausgedehnte Masse- und Leistungsebenen, um Pfade mit niedriger Impedanz bereitzustellen.
Für Stromversorgungs- und Hochstromkomponenten ist jede Anwendung unterschiedlich. Ich folge den Herstellerempfehlungen und platziere die Kondensatoren sehr nahe am IC.
Für die Massenfilterung von Leistungseingängen, die auf die Platine kommen, verwende ich normalerweise einen 10uF-Keramikkondensator X7R. Dies variiert wiederum mit der Anwendung.
Sofern keine Mindestanforderungen an die ESR-Stabilität bestehen oder ich sehr große Kapazitätswerte benötige, verwende ich entweder X7R- oder X5R-Dielektrika. Die Kapazität variiert mit Spannung und Temperatur. Derzeit ist es nicht schwierig, erschwingliche 10uF-Keramikkondensatoren zu erhalten. Sie müssen die Nennspannung für Keramikkondensatoren nicht zu hoch einstellen. Bei der Nennspannung liegt die Kapazität im Toleranzbereich. Wenn Sie die Spannung nicht über den dielektrischen Durchschlag erhöhen, verlieren Sie nur die Kapazität. Typischerweise beträgt die Spannungsfestigkeit das 2- bis 3-fache der Nennspannung.
Es gibt einen sehr guten Anwendungshinweis zu Erdung und Entkopplung von Paul Brokaw mit dem Titel "Ein IC-Verstärker-Benutzerhandbuch zum Entkoppeln, Erden und Vorbereiten von Änderungen".
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Für meine digitalen Schaltungen verwende ich die folgenden Faustregeln:
Jedes Paar Stromversorgungsstifte sollte seinen X7R-Keramikkondensator mit 100 nF erhalten. Es sollte so nah wie möglich an den Stiften sein. Am besten ist es, wenn die Zuleitung zuerst am Kondensator vorbeigeht, bevor sie zum Pin führt. Meistens ist dies jedoch nicht erforderlich.
Die Kondensatoren an den ICs haben nichts mit der Welligkeit des Netzteils zu tun. Sie werden zur Entkopplung benötigt , um schnelle Änderungen des Versorgungsstroms für den jeweiligen IC zu befriedigen. Die Zuleitungen von der Stromversorgung zum IC sind vergleichsweise lang und haben eine gewisse Induktivität, was schnelle Stromänderungen verhindert. Die Versorgungsspannung am IC kann dann außer Reichweite geraten und der IC kann fehlerhaft funktionieren oder im Extremfall beschädigt werden.
Eingang und Ausgang des Spannungsreglers sollten einen Kondensator gemäß Datenblatt erhalten, insbesondere mit einem korrekten äquivalenten Serienwiderstandswert (ESR). Wenn Sie es falsch machen, kann der Regler schwingen, insbesondere bei Low-Dropout-Spannungsreglern (LDOs).
Für analoge Schaltungen ist X7R möglicherweise nicht das richtige Material, da es einen relativ großen piezoelektrischen Effekt hat. Das heißt, mechanische Vibrationen können Spannungsänderungen verursachen und umgekehrt. C0G ist in dieser Hinsicht besser. Diese Einschränkung gilt jedoch hauptsächlich für Signalpfade.
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Wie ich bereits in meinem Kommentar sagte, meinst du wahrscheinlich das Entkoppeln von Kondensatoren , nicht das Glätten von Kondensatoren.
Das Entkoppeln von Kondensatoren hat nicht das Ziel, die Welligkeit Ihres Netzteils zu beseitigen, sondern Störungen aufzufangen. Ein IC kann für kurze Zeit viel zusätzlichen Strom benötigen, beispielsweise wenn Tausende von Transistoren gleichzeitig schalten. Die Induktivität der Leiterbahnen der Leiterplatte kann verhindern, dass das Netzteil dies so schnell liefern kann. Um dies zu überwinden, werden Entkopplungskondensatoren als lokale Energiepuffer eingesetzt.
Dies bedeutet, dass es nicht einfach ist zu berechnen, welchen Wert die Kondensatoren haben sollten. Der Wert hängt von der Induktivität der Leiterbahnen der Leiterplatte ab und von den Stromspitzen, die Ihr IC auf die Stromversorgung ausübt. Die meisten Ingenieure platzieren 100-nF-X7R-Kondensatoren so nahe wie möglich an den Leistungsstiften des IC. Ein Kondensator pro Stromanschluss. Bei einer guten IC-Pinbelegung befindet sich neben jedem Stromanschluss ein Erdungsanschluss, sodass Sie die Schleife so kurz wie möglich halten können.
Für ICs mit geringer Leistung können Kondensatoren mit 10 nF ausreichend sein und werden wegen ihrer geringeren inneren Induktivität gegenüber 100 nF bevorzugt. Aus diesem Grund finden Sie auch 10nF parallel zu den 100nF. In diesem Fall sollte der kleinere Kondensator den Stiften am nächsten liegen.
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Kondensatoren aus X7R (und noch mehr aus Y5V) weisen eine enorme Kapazitäts- / Spannungsabhängigkeit auf. Sie können dies selbst im hervorragenden Murata-Produkteigenschaften-Browser (Simsurfing) unter http://ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/ überprüfen.
Auffällig ist die Spannungsabhängigkeit des Keramikkondensators. Es ist normal, dass der X7R-Kondensator bei Nennspannung nicht mehr als 30% der Nennkapazität aufweist. Zum Beispiel: Der 10uF-Murata-Kondensator GRM21BR61C106KE15 (0805-Gehäuse, X5R) mit einer Nennspannung von 16 V bietet nur eine Kapazität von 2,3uF, wenn 12 V DC bei 25 ° C angelegt werden. Y5V ist in dieser Hinsicht viel schlimmer.
Um eine Kapazität von fast 10 uF zu erreichen, müssen Sie GRM32DR71E106K (1210-Gehäuse, X7R) mit einer Nennspannung von 25 V verwenden, was unter denselben Bedingungen 7,5 uF ergibt.
Abgesehen von Gleichspannungs- (und Temperatur-) Abhängigkeiten weisen echte "Keramik-Chip-Kondensatoren" eine starke Frequenzabhängigkeit auf, wenn sie als Leistungsentkopplungs-Shunts wirken. Die Website von Murata bietet | Z | -, R- und X-Frequenzabhängigkeitsdiagramme für ihre Kondensatoren. Durch Durchsuchen dieser Diagramme erhalten Sie einen Einblick in die tatsächliche Leistung des Teils, das wir als "Kondensator" bei verschiedenen Frequenzen bezeichnen.
Realer Keramikkondensator kann durch einen idealen Kondensator (C) modelliert werden, der mit Innenwiderstand (Resr) und Induktivität (Lesl) in Reihe geschaltet ist. Parallel zu C gibt es auch eine R-Isolation. Wenn Sie jedoch nicht die Nennspannung des Kondensators überschreiten, ist dies für Anwendungen zur Leistungsentkopplung unwichtig.
simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab
Somit wirken Chipkeramikkondensatoren nur bis zu einer bestimmten Frequenz als Kondensatoren (selbstresonant für die serielle LC-Kontur, bei der es sich tatsächlich um einen realen Kondensator handelt), über der sie als Induktoren zu wirken beginnen. Diese Frequenz Fres ist gleich sqrt (1 / LC) und wird sowohl von der Keramikzusammensetzung als auch von der Kondensatorgeometrie bestimmt - im Allgemeinen haben kleinere Packungen eine höhere Fres. Kondensatoren haben auch eine rein resistive Komponente (Resr), die hauptsächlich aus den Verlusten in der Keramik resultiert und bestimmt die minimale Impedanz, die der Kondensator liefern kann. Sie liegt normalerweise im Mili-Ohm-Bereich.
In der Praxis verwende ich zur guten Entkopplung 3 Arten von Kondensatoren.
Höhere Kapazität von ca. 10uF in 1210- oder 1208-Gehäusen pro integriertem Schaltkreis, die 10 kHz bis 10 MHz mit weniger als 10-15 mili-Ohm Shunt für Stromleitungsrauschen abdeckt.
Dann setze ich pro IC-Leistungsstift zwei Kondensatoren ein - einen 100 nF in 0806-Gehäuse mit 1 MHz bis 40 MHz und einen 1 nF in 0603-Gehäuse mit 80 MHz bis 400 MHz und 30 mili-Ohm. Dies deckt mehr oder weniger den Bereich von 10 kHz bis 400 MHz ab, um das Rauschen der Stromleitung herauszufiltern.
Für empfindliche Stromkreise (wie digitale und insbesondere analoge PLL-Stromkreise) habe ich Ferritperlen verwendet (Murata hat ebenfalls einen Browser für diese Eigenschaften), die mit 100 bis 300 Ohm bei 100 Mhz ausgelegt sind. Es ist auch eine gute Idee, die Erdung zwischen empfindlichen und normalen Stromkreisen zu trennen. So sieht der Gesamtüberblick des IC-Energieplans mit 10 uF C6 pro IC-Paket und 1 nF / 100 nF C4 / C5 pro Stromanschluss aus:
simulieren Sie diese Schaltung
Apropos Routing und Platzierung - Strom und Masse werden zuerst zu Kondensatoren geleitet, nur bei Kondensatoren, die wir über Durchkontaktierungen mit Strom- und Masseebenen verbinden. 1nF-Kondensatoren befinden sich näher an den IC-Pins. Kondensatoren müssen so nahe wie möglich an den Leistungsstiften platziert werden, nicht weiter als 1 mm Leiterbahnlänge von Kondensatorpad zu IC-Pad.
Durchkontaktierungen und sogar kurze Leiterbahnen auf der Leiterplatte stellen eine erhebliche Induktivität für die Frequenzen und Kapazitäten dar, mit denen wir es zu tun haben. Beispielsweise hat ein 0,5 mm Durchmesser durch eine 1,5 mm dicke Leiterplatte eine Induktivität von 1,1 nH von der oberen zur unteren Schicht. Für einen 1nF-Kondensator ergibt sich ein Fres von nur 15MHz. Wenn Sie also einen Kondensator über eine Durchkontaktierung anschließen, wird der 1nF-Kondensator mit niedrigem Widerstand bei Frequenzen über 15 MHz unbrauchbar. Tatsächlich beträgt die Reaktanz von 1,1 nH bei 100 MHz bis zu 0,7 Ohm.
Eine Leiterbahn mit einer Länge von 1 mm, einer Breite von 0,2 mm und einer Höhe von 0,35 mm über der Leistungsebene weist eine vergleichbare Induktivität von 0,4 nH auf - was Kondensatoren wiederum weniger effizient macht viel Sinn.
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Wenn Sie eine Stromversorgung mit großen Elektrolyten glätten, vergessen Sie nicht, parallel kleine Keramikkappen für die hohen Frequenzen anzubringen. Elektrolytkappen sehen bei hohen Frequenzen tatsächlich wie Induktoren aus.
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Wenn es sich nicht um eine sehr anspruchsvolle Strecke handelt, verteilen Sie einige 100nF X7R-Kappen. Wenn Sie keine Stromversorgungs-Flugzeuge haben, halten Sie diese in der Nähe von zwei Geräte-Pins, idealerweise direkt über diesen.
Wenn Ihre Schaltung bei hohen Frequenzen viel Strom verbraucht, müssen Sie Ihr Stromverteilungssystem (Power Distribution System, PDS) entwerfen . Xilinx hat eine vernünftige Einführung in diese. Es gibt auch viele Diskussionen über si-list .
Die nächste Frage lautet: "Was sind gute Faustregeln, um zu entscheiden, ob meine Schaltung anspruchsvoll genug ist, um die Faustregeln für das Entkoppeln des Designs zu überschreiten?" :)
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Wie Sie angegeben haben, sollte ein Glättungskondensator in den Stromkreis eingebaut werden, falls Stromspitzen durch Lastwechsel auftreten. Platzieren Sie einen Glättungskondensator so nahe wie möglich am IC-Pin. Ein Wert von 47uf bis etwa 100uf sollte ausreichen.
Auschecken:
http://www.learningaboutelectronics.com/Articles/How-to-connect-a-voltage-regulator-in-a-circuit
Hier finden Sie einige Informationen zur Klärung verschiedener Kondensatorverwendungen in Schaltkreisen.
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Der Speicher- oder Glättungskondensatorwert ist ein Produkt aus dem von der Schaltung benötigten Maximalstrom und der Erholungszeit des Reglers unter Last ... (kein Regler reagiert sofort) ...
In Stromkreisen mit konstantem Strombedarf sollten 10uF - 22uF ausreichen ...
Für Stromkreise, in denen der Strombedarf schnell schwankt, kann ein Kondensatorwert von einigen hundert uF erforderlich sein ...
In einem kürzlich errichteten Gebäude mit einer 3,3-Volt-Versorgung und einem plötzlichen Bedarf für 250 mA war ein Kondensatorwert von 470 uF erforderlich, um die Stabilität aufrechtzuerhalten ...
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