Condensadores de desacoplamiento: ¿qué tamaño y cuántos?

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 en serie efectiva) es un componente crítico. Por ejemplo, la hoja de datos del LDO MC33269 enumera una recomendación de ESR de 0,2 ohmios a 10 ohmios. Se requiere una cantidad mínima de ESR para la estabilidad.

Para la mayoría de los circuitos integrados lógicos y amplificadores operacionales, utilizo un condensador cerámico de 0,1 uF. Coloco el condensador muy cerca del IC para que haya un camino muy corto desde los cables del condensador a tierra. Utilizo amplios planos de tierra y energía para proporcionar caminos de baja impedancia.

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

Para el filtrado masivo de las entradas de energía que ingresan a la placa, normalmente usaré un capacitor cerámico X7R de 10uF. De nuevo, esto varía con la aplicación.

A menos que haya un requisito mínimo de ESR para la estabilidad o que necesite valores muy grandes de capacitancia, usaré dieléctricos X7R o X5R. La capacitancia varía con el voltaje y la temperatura. Actualmente no es difícil conseguir condensadores cerámicos de 10uF asequibles. No necesita especificar en exceso la clasificación de voltaje en los capacitores cerámicos. 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. Por lo general, la rigidez dieléctrica es de 2 a 3 veces el voltaje nominal.

Hay una muy buena nota de aplicación sobre conexión a tierra y desacoplamiento de Paul Brokaw llamada "Guía del usuario de un amplificador IC para desacoplar, conectar a tierra y hacer que las cosas funcionen bien para un cambio".

Utilizo las siguientes reglas generales para mis circuitos digitales:

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

Los condensadores de 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 suministro de energía para el IC respectivo. Los cables de la fuente de alimentación al IC son comparativamente largos y tienen algo de inductancia, lo que evita cambios rápidos de corriente. El voltaje de la fuente de alimentación en el IC puede entonces salirse del rango y el IC puede funcionar incorrectamente o, en casos extremos, dañarse.

La entrada y la salida del regulador de voltaje deben tener un capacitor 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 caída baja (LDO).

Para circuitos analógicos, X7R puede no ser el material adecuado, ya que tiene un efecto piezoeléctrico relativamente grande. Es decir, las vibraciones mecánicas pueden provocar cambios de tensión 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 desacoplar condensadores , no a suavizar condensadores.

El propósito de desacoplar los condensadores no es deshacerse de la ondulación de su fuente de alimentación, sino detectar fallas. Un circuito integrado puede necesitar mucha corriente adicional durante un breve período de tiempo, por ejemplo, cuando miles de transistores se conmutan al mismo tiempo. La inductancia de las trazas de la PCB puede impedir 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 deben tener los capacitores. El valor depende de la inductancia de las trazas de la PCB y los picos de corriente que ejerce su IC en la fuente de alimentación. La mayoría de los ingenieros colocarán condensadores X7R de 100 nF lo más cerca posible de los pines de alimentación del circuito integrado. 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 capacitores de 10 nF pueden ser suficientes y se pueden preferir a los de 100 nF debido a su menor inductancia interna. Por esta razón, también encuentra 10nF paralelo a 100nF. En este caso, el capacitor más pequeño debe estar más cerca de los pines.

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

La dependencia del voltaje del capacitor 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 10 uF GRM21BR61C106KE15 (paquete 0805, X5R) clasificado para 16 V le dará una capacidad de solo 2,3 uF con 12 V CC aplicados a una temperatura de 25 °C. Y5V es mucho peor en este sentido.

Para obtener una capacidad cercana a los 10 uF, debe usar GRM32DR71E106K de 25 V nominal (caja 1210, X7R) que proporciona 7,5 uF en las mismas condiciones.

Además de las dependencias de voltaje de CC (y temperatura), el "condensador de chip de cerámica" real tiene una fuerte dependencia de frecuencia cuando actúa como derivaciones de desacoplamiento de energía. El sitio de Murata proporciona gráficos de dependencias de frecuencia |Z|, R y X para sus condensadores; navegar por estos le da una idea del rendimiento real de la parte que llamamos "condensador" 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 supere el voltaje nominal del capacitor, no es importante para las aplicaciones de desacoplamiento de energía.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Por lo tanto, los condensadores cerámicos de chip actuarán como condensadores solo hasta una cierta frecuencia (autorresonante para el contorno LC en serie, que de hecho es el condensador real), por encima de la 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 capacitor; por lo general, los paquetes más pequeños tienen Fres más alta. Además, los capacitores 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, uso 3 tipos de condensadores.

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

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

Para circuitos de potencia sensibles (como PLL digital y especialmente potencia analógica) puse perlas de ferrita (nuevamente, Murata tiene un navegador de características para ellas) con una clasificación de 100 a 300 ohmios a 100 Mhz. También es una buena idea separar las tierras entre los 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:

^{simular este circuito}

Hablando de enrutamiento y ubicación: la alimentación y la tierra se enrutan primero a los condensadores, solo en los condensadores nos conectamos a los planos de alimentación y tierra a través de vías. Los condensadores de 1nF se colocan más cerca de los pines del IC. Los condensadores deben colocarse lo más cerca posible de los pines de alimentación, no más allá de 1 mm de longitud de seguimiento desde la almohadilla del condensador hasta la almohadilla IC.

Las vías e incluso las trazas cortas en la PCB representan una inductancia significativa para las frecuencias y la capacitancia con las que estamos tratando. Por ejemplo, una vía de 0,5 mm de diámetro en una placa de circuito impreso de 1,5 mm de espesor tiene una inductancia de 1,1 nH desde la capa superior hasta la inferior. Para un capacitor de 1nF que da como resultado Fres igual a solo 15MHz. Por lo tanto, conectar un capacitor a través de via hace que el capacitor de 1nF Low Resr sea inutilizable a frecuencias superiores a 15MHz. De hecho, la reactancia de 1,1 nH a 100 MHz equivale a 0,7 ohmios.

La traza 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 nuevamente hace que los capacitores sean menos eficientes, por lo que tratar de limitar la longitud de la traza de los capacitores a una fracción de mm y hacerlos tan anchos como sea posible hace un mucho sentido

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

• http://www.boostbuck.com/BypassingaCapacitor.html
• http://www.amccaps.com/leaded-capacitors/switch-mode-ceramic-capacitors/impedance-vs-frequency.html
• http://enjeti.tamu.edu/conf-papers/electrolytic-cap-pwm-asd.pdf

Si no es un circuito muy exigente, disperse algunas tapas X7R de 100nF. Si no tiene planos de energía, manténgalos cerca de un par de pines del dispositivo, idealmente directamente a través de ellos.

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 es lo suficientemente exigente como para estar más allá de las reglas generales para el diseño de desacoplamiento?" :)

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

Verificar:

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

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

El valor del reservorio o capacitor de filtrado es producto de la corriente máxima requerida por el circuito, y el tiempo de recuperación del regulador bajo carga... (ningún regulador reacciona instantáneamente)...

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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...