Découplage des condensateurs: quelle taille et combien?

De nos jours, de nombreuses puces nécessitent un lissage des condensateurs entre VCC et GND pour un fonctionnement correct. Etant donné que mes projets fonctionnent à toutes sortes de niveaux de tension et de courant différents, je me demandais si quelqu'un avait des règles empiriques pour a) combien et b) quelle taille de condensateurs devrait être utilisée pour s'assurer que l'ondulation de l'alimentation n'affecte pas ma des circuits?

Vous devez ajouter quelques questions supplémentaires - (c) quel diélectrique devrais-je utiliser et (d) où placer le condensateur dans ma structure.

La quantité et la taille varient selon les applications. Pour les composants d'alimentation, la résistance série effective (ESR) est un composant essentiel. Par exemple, la fiche technique du MC33269 LDO répertorie une recommandation ESR de 0,2 à 10 Ohms. Il y a une quantité minimale d'ESR requise pour la stabilité.

Pour la plupart des circuits logiques et des amplificateurs opérationnels, j'utilise un condensateur céramique de 0,1 µF. Je place le condensateur très près du circuit intégré de sorte que le chemin entre le condensateur et le sol soit très court. J'utilise des avions de masse et des avions de masse pour fournir des chemins à basse impédance.

Pour l’alimentation et les composants à courant élevé, chaque application est différente. Je suis les recommandations du fabricant et place les condensateurs très près du circuit intégré.

Pour le filtrage en masse des entrées d’énergie entrant dans la carte, j’utiliserai typiquement un condensateur X7R en céramique de 10uF. Encore une fois cela varie avec l'application.

À moins qu'il y ait une exigence minimale de stabilité ESR pour la stabilité ou que j’ai besoin de très grandes valeurs de capacité, je vais utiliser des diélectriques X7R ou X5R. La capacité varie avec la tension et la température. Actuellement, il n’est pas difficile d’obtenir des condensateurs en céramique d’un coût abordable de 10 µF. Il n'est pas nécessaire de sur-spécifier la tension nominale sur les condensateurs en céramique. À la tension nominale, la capacité se situe dans la plage de tolérance. Sauf si vous augmentez la tension au-dessus du claquage diélectrique, vous ne faites que perdre de la capacité. La rigidité diélectrique est généralement de 2 à 3 fois la tension nominale.

Paul Brokaw a rédigé une très bonne note d’application sur la mise à la terre et le découplage, intitulée "Guide de l’utilisateur d’un amplificateur IC pour le découplage, la mise à la terre et le bon fonctionnement pour un changement".

J'utilise les règles suivantes pour mes circuits numériques:

Chaque paire de broches d’alimentation doit recevoir son condensateur X7R céramique 100nF. Il devrait être aussi proche que possible des broches. Le mieux est que la ligne d’alimentation passe d’abord par le condensateur avant de passer à la broche, mais la plupart du temps, cela n’est pas nécessaire.

Les condensateurs au niveau des circuits intégrés n’ont rien à voir avec l’ondulation de l’alimentation. Ils sont nécessaires pour le découplage , c’est-à-dire pour répondre aux variations rapides du courant d’alimentation de chaque CI. Les fils de l’alimentation au circuit intégré sont relativement longs et présentent une certaine inductance, ce qui évite les variations rapides du courant. La tension d'alimentation au niveau du circuit intégré peut alors sortir de la plage et ce dernier peut présenter un dysfonctionnement intempestif ou être endommagé dans des cas extrêmes.

L'entrée et la sortie du régulateur de tension doivent recevoir un condensateur conformément à sa fiche technique, en particulier avec une valeur de résistance série (ESR) équivalente correcte. Si vous le faites mal, le régulateur peut osciller, en particulier pour les régulateurs à faible chute de tension (LDO).

Pour les circuits analogiques, le X7R peut ne pas être le bon matériau, car il a un effet piézoélectrique relativement important. En d'autres termes, les vibrations mécaniques peuvent provoquer des variations de tension et inversement. C0G est mieux à cet égard. Bien que cette mise en garde s’applique principalement aux chemins de signaux.

Comme je l'ai dit dans un commentaire, vous voulez probablement dire des condensateurs de découplage , pas des condensateurs de lissage.

Le découplage des condensateurs n’a pas pour but de supprimer l’ondulation de votre source d’alimentation, mais bien d’attraper des problèmes. Un circuit intégré peut avoir besoin de beaucoup de courant supplémentaire pendant une courte période, par exemple lorsque des milliers de transistors commutent en même temps. L’inductance des traces du circuit imprimé peut empêcher que l’alimentation puisse le fournir aussi rapidement. Les condensateurs de découplage sont donc utilisés comme tampons d’énergie locaux pour surmonter ce problème.

Cela signifie qu'il n'est pas facile de calculer la valeur que devraient avoir les condensateurs. La valeur dépend de l’inductance des traces du circuit imprimé et des pointes de courant que votre circuit intégré excite sur l’alimentation. La plupart des ingénieurs placent les condensateurs 100nF X7R aussi près que possible des broches d'alimentation du circuit intégré. Un condensateur par broche d'alimentation. Un bon brochage de circuit intégré aura une broche de terre à côté de chaque broche d'alimentation, afin que vous puissiez garder la boucle aussi courte que possible.

Pour les circuits intégrés de faible puissance, les condensateurs 10nF peuvent être suffisants et peuvent être préférés aux 100 nF en raison de leur plus faible inductance interne. Pour cette raison, vous trouvez également 10nF parallèle au 100nF. Dans ce cas, le condensateur le plus petit doit être le plus proche des broches.

Les condensateurs en X7R (et plus encore en Y5V) ont une très grande dépendance capacité / tension. Vous pouvez le vérifier vous-même sur l'excellent navigateur de caractéristiques en ligne de produits Murata (Simsurfing) à l'adresse ttp: //ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/.

La dépendance de la tension du condensateur céramique est frappante. Il est normal que le condensateur X7R ne dépasse pas 30% de sa capacité nominale à la tension nominale. Par exemple, le condensateur GRU21BR61C106KE15 (boîtier 0805, X5R) Murata de 10uF ne vous donnera qu'une capacité de 2,3uF avec une tension continue de 12V appliquée à une température de 25 ° C. Y5V est bien pire à cet égard.

Pour obtenir une capacité proche de 10uF, vous devez utiliser une tension nominale GRM32DR71E106K (boîtier 1210, X7R) de 25V, ce qui donne 7,5uF dans les mêmes conditions.

Outre les dépendances de tension continue (et de température), les véritables "condensateurs à puce en céramique" ont une forte dépendance en fréquence lorsqu'ils agissent en tant que shunts de découplage de puissance. Le site de Murata fournit des graphiques de dépendances de fréquences | Z |, R et X pour leurs condensateurs. Leur navigation vous donne un aperçu des performances réelles de la partie que nous appelons "condensateur" à différentes fréquences.

Le condensateur céramique réel peut être modélisé par un condensateur idéal (C) connecté en série avec une résistance interne (Resr) et une inductance (Lesl). Il existe également une isolation R en parallèle avec C, mais si vous dépassez la tension nominale du condensateur, cela n'a pas d'importance pour les applications de découplage d'alimentation.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Ainsi, les condensateurs céramiques à puce ne fonctionneront comme des condensateurs que jusqu'à une certaine fréquence (auto-résonante pour le contour série LC dont le condensateur réel est en fait), au-dessus desquels ils commencent à agir comme inducteurs. Cette fréquence Fres est égale à sqrt (1 / LC) et est déterminée à la fois par la composition de la céramique et par la géométrie du condensateur - les boîtiers généralement plus petits ont une valeur de Fres supérieure. De plus, les condensateurs ont une composante purement résistive (Resr) qui résulte principalement des pertes dans la céramique. et détermine l'impédance minimale que le condensateur peut fournir. C'est généralement dans la gamme des mili-ohms.

Pour bien découpler, j'utilise 3 types de condensateurs.

Capacité supérieure d'environ 10 µF dans les boîtiers 1210 ou 1208 par circuit intégré, couvrant une plage de 10 kHz à 10 MHz avec un shunt inférieur à 10-15 mili-Ohm pour le bruit de la ligne d'alimentation.

Ensuite, pour chaque broche d'alimentation du circuit intégré, j'ai mis deux condensateurs - un 100nF dans un boîtier 0806 couvrant 1 MHz à 40 MHz avec un shunt de 20 mili-ohm, et un 1 nF dans un boîtier 0603, couvrant une plage de 80 MHz à 400 MHz avec un shunt de 30 mili-ohm. Cela couvre plus ou moins la plage de 10 KHz à 400 MHz pour filtrer le bruit de la ligne d'alimentation.

Pour les circuits de puissance sensibles (comme les PLL numériques et surtout les sources de courant analogiques), je mets des billes de ferrite (Murata dispose d’un navigateur de caractéristiques pour ceux-ci) de 100 à 300 Ohms à 100 MHz. C'est également une bonne idée de séparer les motifs entre les circuits d'alimentation sensibles et les circuits d'alimentation ordinaires. Ainsi, l’ensemble du plan d’alimentation du circuit intégré se présente comme suit, avec 10uF C6 par boîtier de circuit intégré et 1nF / 100nF C4 / C5 pour chaque broche d’alimentation:

^{simuler ce circuit}

En ce qui concerne l’acheminement et le placement - l’alimentation et la masse sont d’abord acheminées vers les condensateurs; ce n’est que pour les condensateurs que nous connectons aux plans d’alimentation et de masse via des traversées. Les condensateurs 1nF sont placés plus près des broches du circuit intégré. Les condensateurs doivent être placés aussi près que possible des broches d'alimentation, la trace ne dépassant pas 1 mm de la plage du condensateur à la plage du circuit intégré.

Les Vias et même de courtes traces sur les PCB constituent une inductance importante pour les fréquences et les capacités auxquelles nous sommes confrontés. Par exemple, un diamètre de 0,5 mm sur une carte de circuit imprimé de 1,5 mm d'épaisseur présente une inductance de 1,1 nH de la couche supérieure à la couche inférieure. Pour un condensateur 1nF, la valeur Fres est égale à 15 MHz seulement. Ainsi, la connexion d'un condensateur via un commutateur rend le condensateur 1nF basse Resr inutilisable aux fréquences supérieures à 15 MHz. En fait, la réactance de 1,1 nH à 100 MHz équivaut à 0,7 ohm.

Un tracé de 1 mm de long, 0,2 mm de large et 0,35 mm au-dessus du plan d'alimentation aura une inductance comparable de 0,4nH - ce qui réduit encore l'efficacité des condensateurs. beaucoup de sens.

Si vous utilisez de gros électrolytiques pour lisser une alimentation, n'oubliez pas d'ajouter des petits capuchons en céramique en parallèle pour les hautes fréquences. Les capuchons électrolytiques ressemblent en réalité à des inducteurs à hautes fréquences.

• 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 le circuit n’est pas très exigeant, éparpillez des capsules XnR de 100nF environ. Si vous n’avez pas d’avion électrique, gardez-les près d’une paire de broches d’appareil, idéalement entre elles.

Si votre circuit consomme beaucoup d'énergie, à des fréquences élevées, vous devez concevoir votre système de distribution d'énergie (PDS). Xilinx a une introduction raisonnable à cela. Il y a aussi beaucoup de discussions sur la liste blanche .

La prochaine question est "quelles sont les bonnes règles empiriques pour décider si mon circuit est suffisamment exigeant pour dépasser les règles empiriques en matière de conception du découplage?" :)

Comme vous l'avez dit, un condensateur de lissage doit être placé dans le circuit en cas de surintensités causées par des changements de charge. Lorsque vous placez un condensateur de lissage, placez-le aussi près que possible de la broche du circuit intégré. Une valeur de 47 uf à environ 100 uf devrait suffire.

Check-out:

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

pour des informations sur la clarification des différentes utilisations des condensateurs dans les circuits.

La valeur du réservoir ou du condensateur de lissage est un produit du courant maximal requis par le circuit et du temps de récupération du régulateur sous charge ... (aucun régulateur ne réagit instantanément) ...

Dans les circuits où les demandes de courant sont constantes, 10 µF à 22 µF devraient suffire ...

Pour les circuits où les demandes de courant fluctuent rapidement, une valeur de condensateur de l'ordre de centaines d'uF peut être requise ...

Dans une construction récente avec une alimentation de 3,3 volts et une demande soudaine de 250 mA, une valeur de condensateur de 470uF était nécessaire pour maintenir la stabilité ...