ตัวเก็บประจุแบบแยกตัว: ขนาดและจำนวนเท่าไร?

ชิปจำนวนมากในปัจจุบันต้องการตัวเก็บประจุที่ราบเรียบระหว่าง VCC และ GND เพื่อการทำงานที่เหมาะสม เนื่องจากโครงการของฉันทำงานที่แรงดันไฟฟ้าและระดับกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันฉันสงสัยว่าถ้าใครมีกฎง่ายๆสำหรับ a) มีกี่ตัวและข) ตัวเก็บประจุขนาดไหนที่ควรใช้เพื่อให้แน่ใจว่าระลอกคลื่นไฟฟ้าจะไม่ส่งผลกระทบต่อ วงจร?

คุณต้องเพิ่มคำถามอีกสองสามข้อ - (c) อิเล็กทริกที่ฉันควรใช้และ (d) ฉันจะวางตัวเก็บประจุในรูปแบบของฉันได้ที่ไหน

จำนวนและขนาดแตกต่างกันไปตามแอปพลิเคชัน สำหรับส่วนประกอบของแหล่งจ่ายไฟ ESR (การต้านทานอนุกรมที่มีประสิทธิภาพ) เป็นองค์ประกอบที่สำคัญ ตัวอย่างเช่นแผ่นข้อมูล MC33269 LDO แสดงรายการคำแนะนำ ESR ของ 0.2Ohms ถึง 10Ohms จำเป็นต้องมีจำนวน ESR ขั้นต่ำเพื่อความมั่นคง

สำหรับวงจรตรรกะส่วนใหญ่และ op-amps ฉันใช้ตัวเก็บประจุเซรามิก 0.1uF ฉันวางตัวเก็บประจุใกล้กับ IC มากเพื่อให้มีเส้นทางที่สั้นมากจากตัวเก็บประจุที่นำไปสู่พื้น ฉันใช้เครื่องบินภาคพื้นดินและพลังงานอย่างกว้างขวางเพื่อให้เส้นทางความต้านทานต่ำ

สำหรับแหล่งจ่ายไฟและส่วนประกอบกระแสสูงแต่ละแอปพลิเคชันจะแตกต่างกัน ฉันทำตามคำแนะนำของผู้ผลิตและวางตัวเก็บประจุไว้ใกล้กับ IC มาก

สำหรับการกรองกำลังไฟจำนวนมากเข้ามาในบอร์ดโดยทั่วไปฉันจะใช้ตัวเก็บประจุ X7R เซรามิก 10uF สิ่งนี้แตกต่างกันไปตามแอปพลิเคชัน

นอกจากว่าจะมีข้อกำหนด ESR ขั้นต่ำสำหรับความมั่นคงหรือฉันต้องการค่าความจุขนาดใหญ่มากฉันจะใช้ dielectrics X7R หรือ X5R ความจุขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ ในปัจจุบันมันเป็นเรื่องยากที่จะรับตัวเก็บประจุเซรามิก 10uF ราคาไม่แพง คุณไม่จำเป็นต้องระบุพิกัดแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเซรามิกมากเกินไป ที่แรงดันไฟฟ้าความจุอยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อน นอกเสียจากคุณจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเหนือการสลายอิเล็กทริกคุณจะสูญเสียความจุ โดยทั่วไปแล้วความต้านทานไดอิเล็กทริกคือ 2 ถึง 3 เท่าของแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

มีแอปพลิเคชั่นที่ดีมากเกี่ยวกับการต่อสายดินและการแยกชิ้นโดย Paul Brokaw เรียกว่า "คู่มือผู้ใช้เครื่องขยายเสียง IC สำหรับการแยกการต่อสายกราวด์และการทำให้สิ่งต่าง ๆ เป็นไปด้วยดีสำหรับการเปลี่ยนแปลง"

ฉันใช้กฎง่ายๆต่อไปนี้สำหรับวงจรดิจิตอลของฉัน:

หมุดแหล่งจ่ายไฟแต่ละคู่ควรได้รับตัวเก็บประจุ X7R เซรามิก 100nF มันควรจะอยู่ใกล้กับพิน ดีที่สุดคือถ้าเส้นอุปทานผ่านตัวเก็บประจุก่อนที่จะไปที่ขา แต่ส่วนใหญ่เวลานี้ไม่จำเป็น

ตัวเก็บประจุที่ไอซีไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับระลอกคลื่นจาก PSU พวกเขามีความจำเป็นสำหรับdecouplingนั่นคือการตอบสนองการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของกระแสไฟฟ้าสำหรับ IC นั้น ตะกั่วจากแหล่งจ่ายไฟไปยัง IC นั้นค่อนข้างยาวและมีการเหนี่ยวนำบางอย่างเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของกระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟที่ IC อาจอยู่นอกระยะและ IC สามารถทำงานผิดพลาดได้หรือในกรณีที่รุนแรง

อินพุตและเอาต์พุตของเครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าควรได้รับตัวเก็บประจุตามแผ่นข้อมูลโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับค่าความต้านทานอนุกรม (ESR) ที่ถูกต้อง หากคุณทำผิดเครื่องควบคุมอาจแกว่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมต่ำ (LDOs)

สำหรับวงจรอะนาล็อก X7R อาจไม่ใช่วัสดุที่ถูกต้องเพราะมันมีผลกระทบที่ค่อนข้างใหญ่ piezoelectric นั่นคือการสั่นสะเทือนทางกลอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าและในทางกลับกัน C0G นั้นดีกว่าในเรื่องนั้น แม้ว่าข้อแม้นี้ส่วนใหญ่นำไปใช้กับเส้นทางสัญญาณ

เช่นฉันกล่าวว่าในความคิดเห็นของคุณอาจหมายถึงตัวเก็บประจุ decouplingตัวเก็บประจุไม่เรียบ

วัตถุประสงค์ตัวเก็บประจุของตัวแยกอิสระนั้นไม่ได้เป็นการกำจัดระลอกคลื่นของแหล่งจ่ายไฟของคุณ แต่เพื่อกำจัดข้อบกพร่อง IC อาจต้องการกระแสพิเศษมากในช่วงเวลาสั้น ๆ เช่นเมื่อทรานซิสเตอร์หลายพันตัวสลับในเวลาเดียวกัน การเหนี่ยวนำร่องรอยของ PCB อาจป้องกันไม่ให้แหล่งจ่ายไฟสามารถส่งสิ่งนี้ได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นตัวเก็บประจุแยกตัวจะถูกใช้เป็นบัฟเฟอร์พลังงานท้องถิ่นเพื่อเอาชนะสิ่งนี้

ซึ่งหมายความว่าไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะคำนวณว่าตัวเก็บประจุควรมีค่าอะไร ค่าขึ้นอยู่กับการเหนี่ยวนำของร่องรอยของ PCB และยอดปัจจุบันของคุณ IC excerts กับแหล่งจ่ายไฟ วิศวกรส่วนใหญ่จะวางตัวเก็บประจุ 100nF X7R ให้ใกล้ที่สุดกับพินพาวเวอร์ของ IC ตัวเก็บประจุหนึ่งตัวต่อพินพลังงาน IC pinout ที่ดีจะมีกราวด์กราวด์อยู่ถัดจากพินพาวเวอร์แต่ละตัวดังนั้นคุณสามารถทำให้วงสั้นที่สุด

สำหรับตัวเก็บประจุ 10nF ICs พลังงานต่ำอาจเพียงพอและอาจต้องการมากกว่า 100nF เนื่องจากความเหนี่ยวนำภายในต่ำกว่า ด้วยเหตุนี้คุณจึงพบว่า 10nF ขนานกับ 100nF ในกรณีนี้ตัวเก็บประจุขนาดเล็กควรอยู่ใกล้กับพิน

ตัวเก็บประจุที่ทำจาก X7R (และยิ่งกว่านั้นเพื่อ Y5V) มีการพึ่งพาความจุ / แรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ คุณสามารถตรวจสอบด้วยตัวคุณเองได้ที่เบราว์เซอร์ลักษณะพิเศษของผลิตภัณฑ์ Murata ออนไลน์ (Simsurfing) ที่ ttp: //ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/

แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเซรามิกนั้นโดดเด่น เป็นเรื่องปกติสำหรับตัวเก็บประจุ X7R ที่จะไม่เกิน 30% ของความจุที่พิกัดแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น - 10uF Murata ตัวเก็บประจุ GRM21BR61C106KE15 (0805 แพ็คเกจ, X5R) จัดอันดับสำหรับ 16V จะให้ความจุ 2.3uF เพียงกับ 12V DC ที่อุณหภูมิ 25C Y5V แย่กว่ามากในเรื่องนี้

เพื่อให้ได้ความจุใกล้เคียงกับ 10uF คุณจะต้องใช้ GRM32DR71E106K (1210 เคส, X7R) 25V ที่ให้คะแนน 7.5V ซึ่งให้ 7.5uF ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน

นอกเหนือจากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (และอุณหภูมิ) แล้วตัวเก็บประจุแบบเซรามิกชิปมีการพึ่งพาความถี่ที่แข็งแกร่งเมื่อทำหน้าที่เป็นตัวแยกพลังงาน เว็บไซต์ของ Murata แสดงกราฟการพึ่งพาความถี่ | Z |, R และ X สำหรับตัวเก็บประจุการเรียกดูสิ่งเหล่านี้จะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับประสิทธิภาพที่แท้จริงของส่วนที่เราเรียกว่า "ตัวเก็บประจุ" ที่ความถี่ต่างๆ

ตัวเก็บประจุเซรามิกตัวจริงสามารถสร้างแบบจำลองโดยตัวเก็บประจุที่เหมาะสมที่สุด (C) เชื่อมต่อในซีรีส์ที่มีความต้านทานภายใน (Resr) และตัวเหนี่ยวนำ (Lesl) นอกจากนี้ยังมีการแยก R - ขนานกับ C แต่ถ้าคุณไปกว่าแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุมันไม่สำคัญสำหรับการใช้งานพลังงาน decoupling

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ดังนั้นชิปตัวเก็บประจุแบบเซรามิกจะทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุในความถี่ที่แน่นอนเท่านั้น (resonant ตนเองสำหรับรูปร่าง LC แบบอนุกรมซึ่งตัวเก็บประจุที่แท้จริงคือความจริง) ซึ่งเหนือกว่าที่พวกเขาเริ่มทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำ ความถี่นี้ Fres เท่ากับ sqrt (1 / LC) และถูกกำหนดโดยองค์ประกอบของเซรามิกและเรขาคณิตตัวเก็บประจุ - โดยทั่วไปแพคเกจขนาดเล็กจะมี Fres ที่สูงกว่านอกจากนี้ตัวเก็บประจุมีองค์ประกอบ resive resive (Resr) ซึ่งเป็นผลมาจากการสูญเสีย และกำหนดความต้านทานขั้นต่ำที่ตัวเก็บประจุสามารถให้ได้ มันมักจะอยู่ในช่วง mili-Ohms

ในทางปฏิบัติสำหรับดีคัปปลิ้งฉันใช้ตัวเก็บประจุ 3 ชนิด

กำลังการผลิตที่สูงขึ้นประมาณ 10uF ในแพคเกจ 1210 หรือ 1208 ต่อวงจรรวมที่ครอบคลุม 10KHz ถึง 10MHz ด้วยการปัดน้อยกว่า 10-15 mili-Ohm สำหรับเสียงรบกวนของสายไฟ

จากนั้นต่อตัวจ่ายไฟ IC ทุกอันฉันใส่ตัวเก็บประจุสองตัว - หนึ่งชุด 100nF ในแพ็คเกจ 0806 ครอบคลุม 1MHz ถึง 40MHz พร้อม shunt 20 mili-Ohm และ 1nF หนึ่งชุดในแพ็คเกจ 0603 ครอบคลุม 80MHz ถึง 400MHz กับ 30 mili-ohm shunt มากหรือน้อยครอบคลุมช่วง 10KHz ถึง 400MHz เพื่อกรองสัญญาณรบกวนจากสายไฟ

สำหรับวงจรพลังงานที่ละเอียดอ่อน (เช่น PLL ดิจิตอลและพลังงานแบบอะนาล็อกโดยเฉพาะ) ฉันใส่เม็ดเฟอร์ไรต์ (อีกครั้ง Murata มีเบราว์เซอร์ที่มีลักษณะเฉพาะสำหรับพวกนั้น) จัดอันดับ 100 ถึง 300 โอห์มที่ 100Mhz มันเป็นความคิดที่ดีที่จะแยกพื้นที่ระหว่างวงจรพลังงานที่ละเอียดอ่อนและปกติ ดังนั้นโครงร่างโดยรวมของแผนการใช้พลังงานของ IC จะมีลักษณะเช่นนี้โดยมี 10uF C6 ต่อแพ็คเกจ IC และ 1nF / 100nF C4 / C5 ต่อปลั๊กไฟแต่ละอัน:

^{จำลองวงจรนี้}

การพูดเกี่ยวกับการกำหนดเส้นทางและการจัดวาง - พลังงานและกราวด์จะถูกส่งไปยังตัวเก็บประจุก่อนเท่านั้นที่ตัวเก็บประจุที่เราเชื่อมต่อกับพลังงานและระนาบกราวด์ผ่านจุดแวะ ตัวเก็บประจุ 1nF อยู่ใกล้กับพิน IC ตัวเก็บประจุจะต้องอยู่ใกล้กับพินพาวเวอร์เท่าที่จะทำได้ไม่ต้องมีความยาวการติดตาม 1 มม. จากแผ่นตัวเก็บประจุไปจนถึงไอแพดไอซี

จุดอ่อนและแม้กระทั่งร่องรอยสั้น ๆ บน PCB ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำอย่างมีนัยสำคัญสำหรับความถี่และความจุที่เรากำลังเผชิญอยู่ ตัวอย่างเช่นเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 มม. ผ่านใน PCB หนา 1.5 มม. มีการเหนี่ยวนำ 1.1nH จากชั้นบนถึงล่าง สำหรับตัวเก็บประจุ 1nF ที่ส่งผลให้ Fres มีค่าเท่ากับ 15MHz ดังนั้นการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุผ่านทางทำให้ตัวเก็บประจุ 1nF Resr ต่ำใช้ไม่ได้ที่ความถี่สูงกว่า 15MHz ในความเป็นจริงการเกิดปฏิกิริยา 1.1nH ที่ 100MHz นั้นเท่ากับ 0.7 โอห์ม

ร่องรอยของความยาว 1 มม. กว้าง 0.2 มม., 0.35 มม. เหนือระนาบพลังงานจะมีค่าความเหนี่ยวนำเท่ากับ 0.4nH - ซึ่งทำให้ตัวเก็บประจุมีประสิทธิภาพลดลงอีกครั้งดังนั้นจึงพยายาม จำกัด ตัวเก็บประจุความยาวการติดตามให้เหลือเพียงเสี้ยวหนึ่งมิลลิเมตร ความรู้สึกมากมาย

หากคุณกำลังใช้อิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่เพื่อทำให้แหล่งจ่ายไฟราบรื่นอย่าลืมเพิ่มตัวพิมพ์เล็กเซรามิกในแบบคู่ขนานสำหรับความถี่สูง แคปอิเล็กโทรไลติคดูเหมือนตัวเหนี่ยวนำที่ความถี่สูง

• 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

หากไม่ใช่วงจรที่มีความต้องการสูงให้กระจายตัว 100nF X7R ไปรอบ ๆ หากคุณไม่มีระนาบพลังงานให้เก็บไว้ใกล้กับพินอุปกรณ์คู่หนึ่ง

หากวงจรของคุณกำลังไฟมากที่ความถี่สูงคุณจะต้องออกแบบระบบจ่ายไฟ (PDS) Xilinxมีการแนะนำที่สมเหตุสมผลเกี่ยวกับเรื่องนี้ นอกจากนี้ยังมีจำนวนมากของการอภิปรายเกี่ยวกับsi รายการ

คำถามต่อไปคือ "อะไรคือกฎของหัวแม่มือที่ดีในการตัดสินใจว่าวงจรของฉันมีความต้องการมากพอที่จะอยู่นอกเหนือกฎของหัวแม่มือสำหรับการออกแบบแยกชิ้นส่วน :)

ควรวางตัวเก็บประจุที่ปรับให้เรียบตามที่ระบุไว้ในวงจรในกรณีที่มีหนามแหลมในปัจจุบันซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงโหลด เมื่อวางตัวเก็บประจุแบบปรับให้เรียบให้วางไว้ใกล้กับขา IC มากที่สุด ค่า 47uf ถึงประมาณ 100uf ควรเพียงพอ

เช็คเอาท์:

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

สำหรับข้อมูลเกี่ยวกับการทำความเข้าใจการใช้ตัวเก็บประจุที่แตกต่างกันในวงจร

ค่าตัวเก็บประจุหรือตัวเก็บประจุแบบราบเรียบเป็นผลคูณของกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ต้องการโดยวงจรและเวลาการกู้คืนของตัวควบคุมภายใต้โหลด ... (ไม่มีตัวควบคุมทำปฏิกิริยาทันที) ...

ในวงจรที่ความต้องการกระแสคงที่ 10uF - 22uF ควรเพียงพอ ...

สำหรับวงจรที่ความต้องการกระแสผันผวนอย่างรวดเร็วอาจต้องใช้ค่าตัวเก็บประจุในหลายร้อย uF ...

ในการสร้างล่าสุดด้วยอุปทาน 3.3 โวลต์และความต้องการฉับพลันสำหรับ 250mA ค่าตัวเก็บประจุของ 470uF จำเป็นต้องรักษาเสถียรภาพ ...