¿Cómo sé dónde necesito condensadores de desacoplamiento?

Estoy construyendo un escudo de controlador de motor para Arduino. Aquí están los esquemas (perdone el diseño desordenado):

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Y aquí está el diseño de PCB:

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Lo estoy probando integrándolo mientras ejecuto un procedimiento simple de "ejecutar durante 5 segundos y luego invertir" en la MCU, y estoy experimentando algunos problemas extraños con los condensadores de desacoplamiento. Si los dejo apagados, el motor tartamudea en lugar de moverse suavemente, presumiblemente debido a la caída del riel de alimentación del motor. Le puse un capacitor electrolítico de 100 uf (que se muestra en el tablero) y comenzó a funcionar sin problemas.

Ahora, sin embargo, el motor se invierte aparentemente al azar, supongo que la MCU se está reiniciando por una razón u otra. Siguiendo el mantra 'más capacitancia es mejor', instalé la segunda tapa electrolítica, entre los 5v y los rieles de tierra. Ahora, curiosamente, volvemos al paso 1: el motor tartamudea.

Finalmente, agregué una tercera tapa de cerámica de 0,1 uf en los terminales del motor. De repente, todo está bien: el motor funciona sin problemas y retrocede cuando se supone que debe hacerlo.

El escudo de Adafruit parece resolver el problema simplemente arrojando muchas tapas, tanto electrolíticas como cerámicas, al problema. Desafortunadamente, como puede ver, tengo un espacio de PCB bastante limitado, por lo que no puedo permitirme hacer eso. Podría adoptar el enfoque de culto al cargo y decir "está funcionando ahora, genial" y parar, pero prefiero entender qué es lo que causó cada uno de estos síntomas y qué debo hacer para asegurarme de que no sucedan en el tablero de verdad

La primera respuesta a esta pregunta responde a la mayoría de mis preguntas obvias sobre la capacitancia, pero me quedan algunas:

  • ¿Es necesario el límite de 100u y 0.1u entre el riel de 5v (lógico) y la tierra que tiene el escudo de Adafruit? Quitarlo en mi protoboard parece no tener ningún efecto.
  • ¿Necesito las tapas de cerámica de 0.1u tanto en el riel del motor en la entrada del puente H como directamente en los terminales del motor?

Editar: actualicé el diseño esquemático y de PCB con las posiciones propuestas de las tapas, según los consejos de los que tuvieron la amabilidad de responder a mi pregunta.

No creo que sea un duplicado exacto, pero hay información útil en la respuesta de @stevenvh. Todavía podría usar consejos sobre qué tapas son necesarias, en mi caso, por ejemplo, ¿necesito una tapa electrolítica por motor o una tapa 100u servirá para ambos? ¿Cuáles son las implicaciones de colocar la tapa antes o después del puente H?
Pensándolo bien, esto responde a la mayoría de mis preguntas y hace que el diseño de Adafruit sea mucho más claro. Actualizaré mi pregunta para reflejar mis consultas restantes.
puede vincular directamente a la respuesta a una pregunta. Si pasa el cursor sobre las respuestas, editse le mostrará la identificación de la publicación de la respuesta. Agregue a la URL de la pregunta: <URL de la pregunta>/<ID de la publicación>#<ID de la publicación>. (No sé por qué hay que añadirlo dos veces, pero me parece necesario)
Verdadero. También puede simplemente hacer clic en 'enlace' al lado de la respuesta; simplemente me olvidé de hacerlo. :)
Oye, nunca me di cuenta de la link! :-) Sabía que tenía que haber una mejor manera
¡Tienes todo tipo de espacio en ese tablero! Simplemente cambie a partes SMD: su ATtiny mide 1" por 0,3", podría ser 1/2" por 3/8" con una parte SOIC o solo 0,15" por 0,15" en QFN. Incluso si no quiere hacer eso por razones de soldabilidad, las tapas de cerámica 0805 ayudarán a resolver su problema, y ​​todavía tiene mucho espacio para eso.
@Federico Russo Siempre me molesta la cabeza cuando alguien escribe "Posible duplicado de". Cuando alguien vota para cerrar como un duplicado, automáticamente agrega un comentario como ese.
@Kevin Vermeer He llegado al punto de que tengo que usar el montaje en superficie incluso para las cosas básicas. Es mucho más fácil de soldar, especialmente en tableros sin agujeros pasantes enchapados.
@Kellenjb: Usé esa redacción porque la he visto antes. No tengo suficiente representante para votar para cerrar, así que no sabía que el comentario se agrega automáticamente.
No creo que esto deba cerrarse como un duplicado. Son circuitos muy similares, pero este agrega la importante cuestión de la capacitancia en el propio riel del motor. Además, este tiene un esquema, y ​​odiaría tener la pregunta autorizada para este problema aún sin un esquema.
@Nick: podría ser útil si actualizara su esquema para resaltar las ubicaciones potenciales de las tapas de desacoplamiento.
@Federico Estoy tratando de evitar SMD. Sin embargo, me las arreglé para volver a trabajarlo para tener cerámica en lugares relevantes; actualizaré el esquema.
Actualicé el esquema y el diseño con las ubicaciones de las tapas propuestas.
@Nick - ¡Gracias por la actualización! ¿Por qué estás tratando de evitar SMD? Incluso podría obtener cosas enormes, como 1206, que es mucho más fácil de soldar que el orificio pasante, incluso en función del tamaño. Los cables de una tapa de cerámica agregan inductancia, por lo que no funcionará tan bien.
@Kevin ¿Miedo a lo desconocido? Lo intentaré en mi próximo proyecto, pero ya estoy lo suficientemente avanzado como para no intentarlo aquí. :)

Respuestas (3)

Todos los circuitos integrados digitales deben tener tapas de desacoplamiento entre sus pines de alimentación y tierra. Estos deben ser de cerámica y físicamente lo más cerca posible del IC. Desea minimizar la longitud del bucle desde el pin de alimentación hasta la tapa y el pin de tierra a través del IC y de regreso al pin de alimentación.

Los límites de desacoplamiento se ocupan de los picos de corriente a corto plazo que atrae el IC. Por lo tanto, deben ser de alta frecuencia. No es necesaria una gran capacitancia y, dado que los condensadores grandes suelen tener una respuesta de alta frecuencia deficiente, son peores. Una tapa electrolítica de 100 µF es bastante inútil para el desacoplamiento. La cerámica de 1 µF a 100 nF es buena.

En cuanto a la tapa del motor, la idea es buena pero creo que 100nF es demasiado grande. Eso podría causar que fluya una corriente excesiva o innecesaria en el puente H cada vez que cambia. Si solo está invirtiendo la dirección del motor ocasionalmente, entonces esto no es gran cosa. Si está utilizando el puente H para modular el accionamiento del motor aparente con PWM, entonces debe bajar la tapa. Algo como 1nF aún debería reducir el ruido que hace el motor sin interferir con la conmutación.

¿Cómo decide qué tan grandes deben ser las tapas de desacoplamiento del motor? ¿Regla general? ¿La respuesta es diferente si estoy desacoplando entre tierra y cada línea del motor en lugar de entre las dos líneas del motor (y cómo debo elegir entre esas opciones)?
@Olin: el electrolítico de 100uF es inútil para el desacoplamiento, pero (y las tapas de tantalio que se usan por razones similares) son útiles por otras razones. Un límite de 0.1uF puede manejar las cosas de alta frecuencia que se acoplan a las líneas eléctricas (y por lo tanto necesitan desacoplarse), pero no puede manejar los picos de energía a largo plazo que absorberán los límites más grandes.
@Nick: puede decidir de una de las tres maneras: (1) Regla general: consulte las publicaciones de Steven y Rocket, o el Manual de magia negra de Johnson (2) Al comprender el funcionamiento de los circuitos electromagnéticos de alta velocidad: consulte la Introducción a la electromagnética de Paul Compatibilidad y/o tomar un curso de EMC, o (3) usar el enfoque de culto de carga "Funciona ahora". 1 es fácil, 2 es difícil y bastante seguro y 3 es fácil y no seguro.
@Nick: La tapa del motor no es una tapa de desacoplamiento. Está ahí para reducir la velocidad de los transitorios de voltaje y, por lo tanto, reducir el ruido general generado por el motor. Es una compensación entre lo suficientemente grande como para reducir el dV/dt lo suficientemente y lo suficientemente pequeño como para no desperdiciar una carga demasiado grande en cada flanco de conmutación. Como dije, mi intuición es que 1nF es mejor que 100nF, a menos que posiblemente cambie con poca frecuencia.
@Kevin: Estoy de acuerdo con el almacenamiento a granel de menor velocidad. Pensé que estábamos hablando de desacoplamiento. El diseño completo necesita ambos.
@Olin De acuerdo, entonces, ¿las tapas entre el motor y las líneas de tierra serían tapas de desacoplamiento, o tendrían el mismo propósito que una entre las dos líneas del motor? ¿Necesito ambos?
@Nick: una tapa de desacoplamiento mantiene el nivel de voltaje de alimentación cuando la carga a la que está estrechamente conectada tiene cambios repentinos en su demanda actual. Al motor no le importan los picos de voltaje a corto plazo, por lo que no hay problema de desacoplamiento. Incluso si el voltaje del motor colapsara de 12 V a 1 V durante unos microsegundos y luego regresara, continuaría funcionando y su salida no cambiaría de manera significativa. Puede experimentar poniendo tapas a tierra en cada cable del motor, pero eso realmente no me gusta. Una pequeña tapa en el motor ayudará a reducir los transitorios de dV/dt elevados.

No es porque quitar las mayúsculas no parezca tener ningún efecto por lo que no deberías usarlas. Puede funcionar ahora, pero no en una hora más o menos.
Los principios son

  1. Coloque tapas en la fuente de la perturbación, de modo que no conduzca a componentes susceptibles o irradie a través de los cables.
  2. Coloque tapas en los componentes susceptibles. Es posible que su fuente de perturbación no sea la única, y no siempre puede confiar en que las demás estén desacopladas correctamente
  3. Utilice un condensador más grande y uno más pequeño. El más grande absorberá la mayor parte de la energía de la perturbación, pero no es muy bueno a altas frecuencias, donde el más pequeño se hace cargo.

¿Vale la pena desacoplar la misma fuente de perturbaciones dos veces, en diferentes componentes? Lo más probable es que sí, no se puede desacoplar demasiado. Recuerdo el diseño de un colega, donde la mitad de los componentes (unos 200) eran condensadores de desacoplamiento.

También es difícil evaluar el desacoplamiento efectivo en un circuito de placa de pruebas, ya que es probable que la placa de pruebas tenga impedancias muy diferentes a las de una placa de circuito impreso.
@Madmanguruman: creo que el problema con el protoboard será más sobre la ubicación: colocar las tapas lo más cerca posible del dispositivo.
En general, es bastante difícil conectar de forma fiable a los conmutadores de la placa de pruebas. Cosas como minimizar los bucles, agregar detección de corriente, etc. son bastante difíciles con un diseño de PCB. Una construcción pseudo tridimensional puede funcionar mejor que lo que puede lograr en 2D en una PCB; a veces, no funcionará en absoluto. Debe estar a la defensiva con el desacoplamiento: coloque más de lo que cree que necesitará, y simplemente elimine los que se consideren extraños. (Eso, y no siempre confíe en una placa de prueba. O en un nuevo diseño de PCB).
Si está buscando otros diseños que tengan muchas tapas, solo eche un vistazo a su tarjeta gráfica o placa base, especialmente en el lado opuesto del procesador. Tapones por todos lados, y la gran mayoría son para desacoplar.

Seguiría el enfoque con 1 objetivo: minimizar el área para cada bucle de corriente CA, acoplado a las líneas eléctricas (Vcc y tierra).

  1. Haga una lista de todas las redes eléctricas: digamos, sume 2 enteros en la lista: V+, tierra.
  2. Identifique los puertos, conectados a estas redes, que transportan energía: 2 o más por paquete IC, elemento activo
  3. Divida la lista de estos puertos (el total diga ~ 15) en pares, por relevancia para el paquete con posibles duplicados en puertos terrestres o puertos V+.
  4. Agregue 1 capacitor por cada par
  5. En el diseño, mueva el capacitor más cerca de los puertos para reducir el área del bucle, formado por 2 cables del capacitor y 2 puertos del par.

Efectivamente, esto acortará la ruta de corriente para minimizar la caída de voltaje, los picos causados ​​por la inductancia de la línea y aislará magnéticamente los bucles de corriente máxima (dI/dt) entre sí.

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