Charakterisierung von Bypass-Kondensatoren

Ich habe ein paar Postings gelesen, einschließlich der Entkopplungskappen sowie des App-Hinweises Xilinx Power Distribution Network .

Ich habe eine Frage zu Kondensatorwerten in einem Stromverteilungssystem. Leider glaube ich, dass ich ein bisschen Hintergrundwissen geben muss, bevor ich diese Frage stellen kann.

Wie sowohl im Forumsbeitrag als auch in der App erwähnt, bestimmt die physikalische Geometrie eines Kondensators die Selbstinduktivität. Im Falle der Entkopplung kann der Kondensator als kleines Netzteil mit Innenwiderstand, Induktivität und Kapazität modelliert werden. Im Frequenzbereich ist die Ansicht der inneren Impedanz des Kondensators eine "Talsohle", bei der der Anfang (Null) der Talsohle durch den Kapazitätswert und das Ende (Pol) durch die parasitäre Induktivität bestimmt wird. Der tiefste Punkt der Wanne wird entweder durch den parasitären Widerstand oder den niedrigsten Wert der Resonanzfrequenz der LC-Kombination aus Kondensator und parasitärer Induktivität (je nachdem, welcher Wert eine höhere Impedanz erzeugt) festgelegt.

Das folgende Bild zeigt die Eigenschaften eines Kondensators

Bildbeschreibung hier eingeben

Hier ist die Gleichung für die Resonanzfrequenz. Danke, dass du diesen Olin erwischt hast

\frac{1}{2 π \sqrt{L \times C}}

$\frac{1}{2\pi \sqrt{L \times C}}$

Durch diese Überlegung kann man den Kondensator mit der größten Größe in der gegebenen Gehäusegröße auswählen, zum Beispiel 0402, und die Eigenschaften des Pols ändern sich nicht und nur die Null wird auf eine niedrigere Frequenz verschoben (im Bild wäre die Abwärtsneigung bei großen Kondensatorwerten nach links verschoben), um eine Umgehung größerer Frequenzbandbreiten zu ermöglichen. Der Resonanzpol, der den oberen Teil des Kondensators definiert, sollte jeden Kondensator mit höherem Wert der gleichen Gehäusegröße umfassen.

Später in der App-Notiz gibt es einen Abschnitt namens "Kondensatorplatzierung", in dem, wie in der Antwort von Olin beschrieben, die Wirksamkeit des Kondensators nicht nur die Induktivität der Kappe betrifft, sondern auch mit der Platzierung der Kappe zu tun hat . Umgangssprachlich lautet das Problem: Wenn ein IC mehr Leistung zu entnehmen beginnt, sinkt die Spannung, und die Zeit, die der Entkopplungskondensator benötigt, um diesen Durchhang zu erkennen, wird durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Materials bestimmt, aus dem das Signal (Spannung) besteht Tropfen) muss reisen, grundsätzlich näher ist besser. Ein Beispiel finden Sie in der folgenden App-Notiz

0,001 uF X7R-Keramikchipkondensator, 0402-Gehäuse Lis = 1,6 nH (theoretische Induktivität sowohl der parasitären Selbstinduktivität als auch der Leiterplatteninduktivität)

F r ich s = \frac{1}{2 π \sqrt{L \times C}}

$Fris = \frac{1}{2\pi \sqrt{L \times C}}$

F r ich s = \frac{1}{2 π \sqrt{1.6 \times 10^{-} 9 \times 0,001 \times 10^{-} 6}} = 125,8 M H z

$Fris = \frac{1}{2\pi \sqrt{1.6\times10^-9 \times 0.001\times10^-6}} = 125.8MHz$

Die Periode dieser Frequenz ist Tris

T r ich s = \frac{1}{F r ich s}

$Tris = \frac{1}{Fris}$

T r ich s = \frac{1}{125,8 \times 10^{6}} = 7,95 n s

$Tris = \frac{1}{125.8\times10^6} = 7.95ns$

Damit ein Kondensator effektiv ist, muss er in der Lage sein, schneller zu reagieren, als die Spannung an einem Pin durchhängen kann. Wenn der Spannungsabfall schneller als 7,95 ns erfolgen würde, gäbe es eine gewisse Zeit zwischen dem Einbruch am Stift und der Fähigkeit der Kondensatoren, auf diesen Einbruch zu reagieren, der sich in Spannungsspitzen manifestiert. oder zurücksetzen. Damit der Kondensator wirksam bleibt, muss die Spannungsänderung langsamer als ein Bruchteil der Resonanzperiode (Tris) erfolgen. Um diese Aussage zu quantifizieren, ist eine akzeptierte effektive Ansprechzeit eines Kondensators 1/40 der Resonanzfrequenz, also ist die effektive Frequenz dieses Kondensators wirklich

E f f e c t ich v e F r ich s = \frac{125,8 \times 10^{6}}{40} = 3.145 M H z

$Effective Fris = \frac{125.8\times10^6}{40} = 3.145MHz$

oder der Kondensator kann einen Einbruch über einen Zeitraum von 0,318 us abdecken.

E f f e c t ich v e T r ich s = \frac{1}{3.145 \times 10^{6}} = .318 u s

$Effective Tris = \frac{1}{3.145\times10^6} = .318us$

Leider kann ein Kondensator normalerweise nicht auf einem Pin platziert werden, sodass das Material, aus dem die Leiterplatte besteht, eine weitere Verzögerung mit sich bringt. Diese Verzögerung kann als Ausbreitungsgeschwindigkeit des Materials modelliert werden. In der App-Notiz beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Standard-FR4-Dielektrikums 166 ps pro Zoll.

Anhand der effektiven Resonanzperiode (Tris) von oben und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Materials können wir den Abstand ermitteln, bei dem der Kondensator am effektiven Fris wirksam bleibt.

D ich s t ein n c e (x) = \frac{t ich m e (t)}{s p e e d (\frac{t}{x})}

$Distance(x) = \frac{time(t)}{speed(\frac{t}{x})}$

D ich s t ein n c e (x) = \frac{.318 \times 10^{-} 6}{1,66 \times 10^{-} 12} = 1.20 ich n

$Distance(x) = \frac{.318\times10^-6}{1.66\times10^-12} = 1.20in$

Endlich kann ich meine Frage stellen!

Da die Packungsgröße der Teil der Kappe ist, der den Pol oder die Obergrenze der Impedanz des modellierten Netzteils abschwächt, sollte es keine Rolle spielen, wenn ich eine 0402-Packung mit einer Kappe von 0,001 uF oder einen 0,47 uF-Kondensator verwende 0402-Paket. Eine bessere Methode zur Bestimmung des Fris der Kappe besteht darin, die Frequenz zu ermitteln, bei der entweder der Innenwiderstand oder die effektive Kapazität den Pol schneidet (je nachdem, welcher Punkt höher ist). Ist das richtig? oder gibt es einen anderen faktor, den ich nicht berücksichtigt habe?

capacitor frequency decoupling-capacitor

— Dave
quelle

Beeindruckend! Und dann sagen wir, wir platzieren einfach eine 100nF Kappe :-)

— Federico Russo

Ihrer Berechnung der Resonanzfrequenz fehlt eine Quadratwurzel. Es sollte F = 1 / (2 Pi sqrt (LC)) sein.

— Olin Lathrop

Größe ist wichtig. Die 1nF-Kappe enthält möglicherweise nicht genügend Energie, um den Einbruch zu überbrücken. Sie müssen wissen, welche Art von Strom den Einbruch verursacht und wie lange er dauert.

— Stevenvh

@Olin Lathrop. Woops danke! Nun, der Ruf schlägt mich wieder, ich kann den Beitrag nicht ohne 10 bearbeiten ... wenn ich jemals dort ankomme, werde ich ihn reparieren.

— Dave

@ Dave: "Eine akzeptierte effektive Ansprechzeit eines Kondensators ist 1/40 der Resonanzperiode", aber dann teilen Sie die Frequenz durch 40. Teilen der Periode = Multiplikationsfrequenz.

— Federico Russo

Mein Lieblings-Elektronikbuch ist " High Speed Digital Design: Ein Handbuch der schwarzen Magie ". Ich kann dieses Buch nur empfehlen. Es scheint teuer, aber es ist das Geld wert. Dieses Buch hat 12 Seiten zur Auswahl einer Bypass-Kappe! Der Autor Howard Johnson unterrichtet auch einige Klassen mit Entkopplungskappen als eines der Themen.

Einige wichtige Dinge, die ich im Laufe der Jahre gelernt habe und die in diesem Buch bestätigt wurden, sind, dass die "Standardpraktiken" beim Entkoppeln von Kappen fast immer falsch sind und es mehr Kunst als Wissenschaft gibt, wenn es darum geht, sie auszuwählen und zu routen .

Es gibt viele Berechnungen, die Sie in Bezug auf das Entkoppeln von Kappen durchführen können, aber viele davon sind aufgrund vieler Dinge nicht genau. Die Kappen selbst variieren stark (insbesondere die Kappen mit höherem Dielektrikum wie X7R). Das PCB-Layout ändert die Dinge erheblich (und Sie müssen in 3-D für diese eine denken). Temperatur und Spannung verändern das Verhalten der Kappen. Eine einzelne Kappe verhält sich sowohl als "Netzteil-Glättungskappe" als auch als "AC-Signalrückführungs-Bypasskappe". Etc.

Nach vielen Experimenten stellte Johnson fest, dass die Induktivität der wichtigste Faktor ist und fast jede andere Überlegung überfordert. Das Ziel bei der Auswahl und Platzierung von Entkopplungskappen ist es daher, viele physikalisch kleine Kappen mit dem höchsten praktischen Wert zu verwenden und so zu verlegen, dass die Gesamtinduktivität so gering wie möglich ist.

Ideal wäre die Verwendung vieler 0,1-uF-Kappen in einer 0402-Packung. Legen Sie sie unter den Chip auf der Rückseite der Platine. Die Kappe wird wie im Bild unten verlegt. Und die Durchkontaktierungen gehen direkt zu den Stromversorgungs- / Masseebenen (nicht zu den Stromversorgungspins des Chips, da dies normalerweise die Induktivität erhöhen würde). Wenn Sie die Kappe unter dem Chip platzieren, kann es vorkommen, dass Sie dasselbe Via ohne Probleme teilen.

richtiges Layout der Entkopplungskappe

Der Grund, warum eine Kappe mit 0,1 uF gewählt wurde, liegt darin, dass sie in einem 0402-Gehäuse die höchste praktische Leistung erbringt. Der Grund, warum 0402 gewählt wurde, ist, dass es die kleinste praktische Größe ist und Sie viele davon verwenden möchten, um den effektiven ESL / ESR-Wert zu senken. Natürlich sind alle Wetten ungültig, wenn Sie eine 2-Lagen-Platine ohne Strom- und Erdungsebenen haben.

Ich möchte die Verwendung der Mathematik nicht herabsetzen, das ist wichtig, aber die Komplexität der Entkopplung von Stromversorgung und Wechselstromrückführung macht die Mathematik in der realen Welt oft nicht so praktisch. In der realen Welt hilft eine "Faustregel" wirklich. Von den vielen Faustregeln für dieses Thema hat nur Howard Johnson bewiesen, dass die anderen Regeln nicht funktionieren, und diese bessere Regel bereitgestellt. Meine Experimente und Erfahrungen haben gezeigt, dass dies wahr ist.

Ja, die Gleichungen sind wichtig, solange Sie daran denken, mit Null zu multiplizieren und am Ende die entsprechende Menge hinzuzufügen.

— Olin Lathrop

@Olin Lathrop Doh! Ich habe durch null geteilt, nicht MULTIPLYING. Deshalb hat es bei mir nie geklappt!

Bypass-Kappen dienen sowohl zur Minimierung lokaler Einbrüche in VDD-VSS als auch zur Minimierung von Spannungsspitzen im Hauptversorgungsstrom. Vorausgesetzt, dass VDD-VSS nicht so stark abfällt, dass es zu Problemen kommt, sind weitere Reduzierungen der Versorgungsstromstöße nützlicher als Reduzierungen der VDD-VSS-Einbrüche (da erstere EMI verursachen). Ich würde erwarten, dass die Bypass-Kappe zwischen der Masseebene und den Versorgungsleitungen des Chips für die EMI-Reduzierung optimal ist. Würden Sie dem zustimmen?

— Supercat

@supercat Ich bin nicht ganz gefolgt. Caps direkt auf den Power / Gnd-Pins reduzieren die EMI in Bezug auf die Leistung, erhöhen jedoch die EMI aufgrund der vergrößerten Schleifenfläche der Signale und ihres Rückwegs. Wenn ich zwischen Kappen auf den Stiften oder Kappen mit Durchkontaktierungen zu den Flugzeugen wählen müsste, würde ich mit Durchkontaktierungen zu den Flugzeugen gehen. Wenn Sie Kappen auf die Rückseite der Leiterplatte setzen, ist es möglich, Ihren Kuchen zu haben und ihn auch zu essen. Wenn ich das nicht kann, mache ich so viel "kreatives Routing" wie möglich, um beides zu erreichen - im Grunde genommen ein Kompromiss, wahrscheinlich, indem ich mehr Kappen habe und sie überall platziere, wo ich eine anbringen kann.

@ David Kessner: Mein Gedanke wäre, dass, wenn die Kappe zwischen der Versorgung und dem Chip liegt, der dI / dt der Versorgung durch den Betrag begrenzt wird, um den die Spannung der Überbrückungskappe abfällt. Wenn die Induktivität zwischen den Stiften und der Versorgung z. B. das 10-fache der Induktivität zwischen den Stiften und der Kappe beträgt, werden 10% aller Stromspitzen zur Versorgung übertragen. Ist mein Denken falsch?

— Supercat