Frage:
Gibt es eine Formel zur Bestimmung der Größe von Entkopplungskondensatoren?
royalt213
2017-06-14 22:55:55 UTC
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Ich habe viele Entkopplungskondensatoren in Schaltkreisen verwendet und sie in vielen Lehrbüchern gesehen, aber sie geben nie eine Erklärung darüber, warum sie eine bestimmte Kondensatorgröße ausgewählt haben.Jeder scheint eine "Regel" über die Größe zu haben, die er auf dem Weg aufgenommen hat.

Aber gibt es eine tatsächliche Formel, die vorschreibt, welche Größe des zu entkoppelnden Entkopplungskondensators verwendet werden soll?Wenn nicht, gibt es Mathematik und Physik, auf die ich hinweisen könnte, um etwas Strengeres als eine Faustregel zu entwickeln?

Viele Leute haben gesagt, dass die Größe nicht immer kritisch ist, aber ich stelle mir vor, dass es einen Punkt gibt, an dem eine Änderung der Größe dazu führen würde, dass die Schaltung ausfällt oder sich zumindest verschlechtert.Ich würde gerne wissen, was dieser kritische Punkt ist, um den absoluten Mindestfall zu bestimmen usw.

Siehe auch: https://electronics.stackexchange.com/questions/298798/capacitor-placement/298817#298817 Es ist keine Liste von Gleichungen, aber es erklärt, was los ist.
Früher hatten wir einen Mann in der Nähe, der sich mit einer Art Zauberer verband, und der Ihnen alle Kappen sagte, die Sie verwenden mussten.Ich kann keinen Hinweis darauf finden.Vielleicht kann jemand mein Gedächtnis auffrischen - aber der Punkt ist, wenn es einen Assistenten gibt, wurde eine Reihe von Gleichungen implementiert.
Zur Verdeutlichung frage ich nicht nach der Größe der Kappe, die zum Entkoppeln verwendet werden soll.Ich bitte _how_, die Größe zu bestimmen, ohne nur eine Faustregel zu verwenden.
Vergessen Sie nicht, die Paketgröße http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/an13/an1325.pdf zu berücksichtigen
Ich habe dies unter https://electronics.stackexchange.com/a/274356/4512 etwas beantwortet.
Größe Ihrer Kappen pro C = I * T_recharge / deltaVripple.Um Resonanzen zu vermeiden, planen Sie die PCB-Verluste (500 MikroOhm pro Quadrat) so, dass Rdampen = sqrt (L / C) erreicht wird.Somit erzeugen 5 nH Kappe + Durchkontaktierungen + Leiterplatte und ein 5 uF SMT sqrt (5 nH / 5 uF) oder sqrt (0,001) oder 31 MilliOhm Rdampen.Wenn Ihre minimale ESR dies vorsieht, können Sie passieren.
Fünf antworten:
#1
+15
bobflux
2017-06-15 00:44:34 UTC
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Denken Sie daran, dass die Entkopplung mehrere Zwecke hat.

  • Bei einer Last, die transiente, stachelige Ströme wie eine CPU zieht, speichern Entkopplungskappen Energie lokal und nahe an der Last, sodass sie schnell verfügbar ist (dh mit niedriger Induktivität). Die Idee ist, dass die CPU bei jedem Taktzyklus eine bestimmte Ladungsmenge (Coulomb) verschlingt, was bedeutet, dass die Kappen sowohl einen ausreichend großen Wert als auch eine ausreichend niedrige Induktivität haben müssen, um die erforderliche Ladung bereitzustellen, ohne dass die Spannung aus dem angegebenen zulässigen Wert herausfällt Bereich.

  • Dies bringt uns zu ihrer zweiten Rolle, nämlich dem lokalen Schließen von High-Di / Dt-Schleifen. Dies ist erforderlich, damit die Schaltung funktioniert, da zu viel Induktivität zu einem Absacken der Versorgung führt, dies ist jedoch auch sehr vorteilhaft, da keine HF-Ströme in die GND-Ebene eingespeist werden. Unsere CPU zieht sehr schnelle Ströme, daher reagieren lokale Kappen mit niedriger Induktivität als erste. Sie mitteln dann den Strom, der aus den größeren, langsameren, höheren Induktivitäten und weiter entfernten Bulk-Kappen entnommen wird. Diese müssen wiederum Ladung bereitstellen, während der normalerweise langsame Regler reagiert.

  • Gleiches gilt für die Eingabe eines Buck-Reglers. Es zieht einen schnellen Rechteckwellenstrom, und die Rolle der Eingangsentkopplungskappen besteht darin, ihn in einer engen lokalen Schleife fließen zu lassen und nur einen viel weniger verrauschten, gemittelten Strom aus der Hauptversorgung zu ziehen.

  • Bei analogen Geräten wie Operationsverstärkern filtern Entkopplungskappen auch HF-Rauschen auf den Netzteilen heraus. Wenn Ihr Operationsverstärker in die Klasse B fällt, eine Stromspitze schwenkt oder zieht, während er mit einer kapazitiven Last kämpft, zieht er einen verzerrten Strom oder eine Stromspitze, wodurch die Versorgungen verzerrt werden. Die resultierende Verzerrung am Ausgang hängt von der Versorgungsimpedanz und dem PSRR bei der relevanten Frequenz ab.

  • Und auf der Angebotsseite sollten die Kappen natürlich Ihren Regler glücklich machen! Überprüfen Sie das Datenblatt. Nicht alle "stabil mit 1µF Keramik" LDOs sind gleich. Einige haben bewundernswerte vorübergehende Reaktionen. Andere sind schrecklich. Gleiches gilt, wenn sich im Lieferumfang eine Ferritperle befindet. Machen Sie keinen LC-Tank, der mit einer Frequenz schwingt, die Sie verwenden ...

Eine übermäßige Induktivität in den Versorgungsleitungen führt zu einem Spannungsabfall bei transienten Stromanforderungen. Digitales Material reagiert darauf, indem es abstürzt, falsche Werte berechnet, UVLO- oder Brownout-Detektoren auslöst und alle möglichen lustigen Dinge. Opamps und analoge Bits reagieren, indem sie oszillieren, ewig brauchen, um sich niederzulassen, die Verzerrung zu erhöhen usw.

Eine übermäßige Induktivität führt auch zu Spannungsspitzen (positiv oder negativ), wenn große Ströme hineingedrückt werden, wie dies beim Schalten eines DC-DC-Wandlers der Fall ist. Dies wird Ihre FETs, Ihre FET-Treiber in die Luft jagen ... Ich habe es bereits mehrmals auf dieser Website gesehen.

Nun, es ist ein bisschen kompliziert und es gibt verschiedene Ansätze.

  • Der Bastler

Sie löten gerne 0805, weil 0603 zu klein ist. Da Sie sich bewusst sind, dass die Induktivität von der Packungsgröße und nicht vom Wert abhängt, kaufen Sie einige Hundert der größten Kappen, die Sie in 0805 erhalten können, wahrscheinlich 1-10 µF, abhängig von der Spannung, und erhalten einen guten Mengenrabatt. Sie kleben einen auf jeden Power Pin, ohne sich Sorgen zu machen, und es funktioniert einfach. Sie könnten 100nF setzen, aber der Preis ist für einen Bastler nicht so unterschiedlich, und ehrlich gesagt, setzen Sie besser eine Kappe, die 5c teurer ist, als tatsächlich über den Wert nachzudenken, den Sie brauchen, oder? Ich meine, wenn Sie Ihre Zeit schätzen, ist es ein Kinderspiel, 5 Cent auszugeben, um eine zusätzliche Minute zu sparen und über den Wert nachzudenken, den Sie tatsächlich benötigen. Genau wie 50 € für chinesische 4-Lagen-Bretter ausgeben, anstatt an zwei Wochenenden Sklaven zu machen, um das verdammte Durcheinander auf zwei Lagen zu bringen? Verdammt ja.

Das Hinzufügen eines 10c-Elektrolyten erspart Ihnen auch den Schmerz, manchmal einen oszillierenden Regler zu debuggen, eine lohnende Investition, wenn Sie nur wenige Platinen herstellen.

Hinweis: Die Parallelisierung von 100nF mit 1µF ist nur dann sinnvoll, wenn die 100nF viel kleiner sind. Wenn sie das gleiche Paket sind, haben sie die gleiche Induktivität. Die kleinere Kappe wird nur schneller, wenn sie physisch kleiner und näher an den Stiften / Ebenen liegt.

  • Der HF-Ingenieur

Dieser Typ hat eine gute Vorstellung von der Versorgungsimpedanz, die er benötigt, und erstellt sie, indem er verschiedene Kappen parallel klebt, unter Berücksichtigung des Pakets und über die Induktivität die Tatsache, dass C0G bei HF besser funktioniert, und möglicherweise die selbstresonanten Frequenzen ausnutzt Stellen Sie sicher, dass die Versorgung nicht auf der falschen Frequenz schwingt, stecken Sie ein oder zwei Ferritperlen in die Mischung, um etwas Filterung usw. hinzuzufügen. Hier ist die Impedanz wichtiger als der Kondensatorwert.

  • Der Audiophile

Er macht im Grunde das Gegenteil, die X7R SMD-Kappe ist ungefähr 1 nH, die roten WIMA-Durchgangsboxen mit einem Stiftabstand von 5,08 mm sind ungefähr 6 bis 8 nH montiert, und somit wird das HF-Rauschen auf den Schienen mit dem gleichen Faktor multipliziert. aber wen interessiert es, es sieht gut aus! Außerdem lässt das instabile LDO die Höhen sprudeln, für das kleine Extra.

  • Der Bösewicht-Motherboard-Typ

In diesem Fall gibt der Hersteller ein empfohlenes Impedanzprofil für die Versorgung seines Chips an. Und ein Software-Tool, um es einfacher zu machen. Das Ergebnis sind normalerweise Tonnen von Kappen mit geringem Wert, da sie winzig sein müssen, einen niedrigen ESL-Wert aufweisen und zwischen BGA-Durchkontaktierungen oder dergleichen passen müssen. Dann versetzt er die Werte, um sein Impedanzprofil zu erhalten, und überprüft das Ding mit einem VNA (unter Nennspannung). Dann werden die Kostensenker natürlich die Hälfte der Kappen entvölkern.

  • Der analoge Typ

Holen Sie sich einen Opamp mit "100 ns Einschwingzeit auf 0,1%". Kleben Sie es auf ein Brett mit Entkopplungskappen wie 10nF // 1µF. Jedes Mal, wenn es schwenkt und eine Stromspitze zieht, tritt eine LC-Resonanz zwischen den beiden Kappen auf, überwindet das PSRR des Opamps, das bei dieser Frequenz niedrig ist, und die Einschwingzeit wird 100x länger als es sollte. Die Lösung besteht darin, nur EINE Kappe mit niedrigem ESR zu verwenden, die aus Keramik besteht, also die kleine und lokale. Verwenden Sie für die größeren Kappen Kappen mit tatsächlichem ESR, die die Impedanz dämpfen und nicht mitschwingen. Wie Tantale oder Elektrolyte.

Denken Sie daran, dass Ihr Chip sehr, sehr dünne Bonddrähte hat, so dass er ohnehin 0,1 bis 0,5 Ohm in den Verbrauchsmaterialien hat, sodass Ihr Opamp keine benötigt oder sich darum kümmert, dass die MLCC-Kappe einen ESR von 0,01 Ohm hat! Diese Art von extrem niedrigem ESR ist aufgrund von Resonanzen ein Schmerz im ...

Tatsächlich sind Keramiken mit niedrigem ESR so schmerzhaft, dass einige Leute wie SUN verrückte Methoden gefunden haben, um einige gedruckte ringförmige Ringwiderstände auf die inneren Schichten zu kleben, um etwas ESR hinzuzufügen!

Jetzt fangen sie an, " kontrollierte ESR" zu machen. Über die Zeit.

Beachten Sie, dass ich nicht viel über Werte spreche. Der RF-Typ und der Motherboard-Typ müssen ein Impedanzziel erreichen. Es geht also mehr darum, wie viele Kappen, Induktivität, wie die gestaffelten Werte gewählt werden, welche Art von Kappen zu den niedrigsten Kosten verwendet werden sollen. Der analoge Typ wird höchstwahrscheinlich eine kleine Keramikkappe verwenden, um sicherzustellen, dass sein Operationsverstärker eine schöne Versorgung mit niedriger Induktivität hat, und einen Wert auswählen, der in das Paket passt, das er benötigt ...

Nett!Ich mag deine Infos und deine Einstellung :)
"Eine Parallele von 100 nF mit 1 uF ist nur dann nützlich, wenn die 100 nF viel kleiner sind."Ist das wahr?Ich dachte, dass es von Vorteil ist, unterschiedliche Resonanzen und Bandbreiten zu haben, indem man C (gegen ein festes L) ändert.Jetzt, wo ich das sage, merke ich, dass es ein bisschen "handgewellt" ist ...
Nur der RF-Typ konnte das beantworten;) (Ich stehe nicht auf RF).Ehrlich gesagt ist die einzige Verwendung für MLCC mit geringem Wert die Kosten oder eine niedrigere ESL aufgrund eines kleineren Pakets.Wenn Sie ein Hobbyist sind, ist ein Streifen von 1µF 0805 ein attraktives Angebot!Wenn Sie 2 Kappen parallel schalten, haben zwei mit demselben Wert keinen Antiresonanzpeak.100nF + 1µF erreichen Spitzenwerte.
Hallo und danke für deine Antwort.Ich bitte Sie, daran zu denken, dass viele von uns verrückt genug sind, um auf Themen einzugehen, zu denen wir wenig Hintergrund haben.Wenn Sie also Ausdrücke wie "di / dt-Schleifen" oder andere weniger gebräuchliche Akronyme verwenden, fügen Sie bitte einen Text hinzu, um anzugeben, wovon Sie sprechen, und zwar auf eine Weise, die einigermaßen durchsuchbar ist.Natürlich können wir nicht für jedes Konzept, das wir berühren, Links finden und erstellen, aber ich habe viel gegoogelt und keine Definition für diese Werte gefunden.di = direkte Stromstärke über dt = direkte Zeit?Dingle Stromstärke?Distanz Schneidezähne?:) :)
"Sich bewusst sein, dass die Induktivität von der Packungsgröße und nicht vom Wert abhängt" - Sie sagen also, dass die Größe eine Rolle spielt?:) :)
#2
+3
Neil_UK
2017-06-14 23:09:56 UTC
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Die Hauptrichtlinie besteht darin, jederzeit an allen Stromanschlüssen eine ausreichende Spannung aufrechtzuerhalten. Dies ist normalerweise alles, was für digitale Schaltungen benötigt wird. In analogen Schaltungen kann die Stromschiene häufig als unerwünschter Signalpfad fungieren, so dass eine weitere Anforderung besteht, eine breite Breitbandimpedanz auf der Stromschiene zu haben.

Wenn die Schaltung Spannungsspitzen mit Zeitkonstanten von US bis mS zieht, hat die Karte häufig einen etwa 100 uF großen Kondensator, an dem die Leistung in die Karte fließt, um die Ausgangsimpedanz der Stromversorgung zu bekämpfen. Wenn das Hauptnetzteil ein einfacher Netzgleichrichter ist, werden hier viel größere Kondensatoren verwendet.

Eine digitale Schaltung nimmt bei Übergängen sehr große Ströme auf, die jedoch nur für nS dauern. Diese werden von einer Keramikkappe in der Nähe jedes Stromanschlusses jedes Geräts gehandhabt. Da die Stromimpulse so kurz sind, liegen sie häufig im Bereich von 10 nF bis 100 nF.

Anspruchsvollere Anwendungen können durch Hinzufügen weiterer Kondensatoren oder Ferritperlen oder Induktoren bewältigt werden, um die Isolation zwischen verschiedenen Teilen der Stromschiene zu erhöhen.

Danke, aber ich denke, Sie haben den Punkt verpasst.Ich frage nicht, welche Größe von Entkopplungskappen in welchen Situationen verwendet werden soll oder wie Entkopplungskappen funktionieren.Ich frage, wie diese Zahlen entstanden sind.Jeder scheint eine Faustregel zu haben, ohne zu erklären, warum diese bestimmte Zahl gewählt wurde.
@royalt213 Die Regel ist offensichtlich.Sobald Sie die minimale Spannung, die Impulsdauer und den Impulsstrom haben, verwenden Sie \ $ CV = Qdt \ $.Das Problem besteht darin, gute Werte für die Impulsströme und -dauern zu finden.Das ist der Grund, warum Menschen dazu neigen, Standard-Vaues zu verwenden.
#3
+2
Trevor_G
2017-06-14 22:59:18 UTC
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Ich habe noch nie eine Formel gesehen, eher ein Bauchgefühl, das Sie aus Erfahrung gewinnen.Manchmal definieren technische Datenblätter einen empfohlenen Entkopplungsbetrag, aber es hängt wirklich davon ab, wie beschäftigt das Gerät ist, mit dem es verbunden ist.

Wenn es sich um ein leises Gate handelt, das Benutzereingaben oder ähnliches überwacht, ist eine kleine Kappe in Ordnung.Wenn es sich um einen Chip mit vielen Ausgängen handelt, die alle auf Taktfrequenzen mit großen Fan-Outs schalten, benötigen Sie viel mehr Entkopplung.

Meistens wird dies durch die Tatsache bestimmt, dass Ihr Unternehmen eine bestimmte Größe durch die Schaufelladung kauft, sodass Sie diese routinemäßig verwenden.

#4
+2
Voltage Spike
2017-06-14 23:17:44 UTC
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Ermitteln oder schätzen Sie den Betrag des maximalen Stroms und der maximalen Zeit, die die Last vom Nennwert der Spannungsschiene ablenkt.

Mit dieser Formel können Sie dann die Beziehung zwischen der Kondensatorgröße und der Abweichung vom Nennwert Ihrer Stromschiene bestimmen:

$$ C = I \ frac {\ Delta T} {\ Delta V} $$ span> Wo I der Strom ist, ist t die Zeit des Ereignisses und V ist die Spannungsdifferenz von der Schiene weg.

Wenn ich zum Beispiel eine Last hätte, die für 5us 100 mA mehr als den Durchschnitt zieht, und ich wollte, dass die Schiene innerhalb von 0,03 V bleibt, würde die Gleichung folgendermaßen aussehen:

$$ C = 100 mA \ frac {5us} {0,03 V} = 17uF $$ span>

oder runden Sie es auf 20uF, um besser zu sein.

Dies funktioniert unter der Annahme eines Stromeingangs, wenn Sie eine Sinuswelle hätten, würden Sie wahrscheinlich einen Leistungsfaktor verwenden wollen, um den Strom zu "verringern". Verwenden Sie die Gleichung, um in den Ballpark zu gelangen, überprüfen Sie die Welligkeit und stellen Sie sie gegebenenfalls ein.

Interessant.So einfach scheint es.Wäre es dann hypothetisch sinnvoll, empirische Messungen des Rauschens des Signals vorzunehmen und dann diese Variationen in dieser Formel zu verwenden, um den richtigen Kondensator zum Filtern dieses Rauschens abzuleiten?Es scheint, als könnte es kompliziert werden, wenn das Rauschen zufällig ist.Aber ich nehme an, Sie könnten die Messungen durchführen, die den Wert von C vielleicht maximieren?
5uS ist jedoch weit mehr als nur Ihre normale Entkopplung.
Diese Formel berücksichtigt nicht die Wiederherstellungszeit der Stromversorgung.
Dies scheint eine gute Heuristik zu sein, aber ich würde die nicht idealen Eigenschaften des Kondensators berücksichtigen, der bei der Entkopplung einer empfindlichen Schaltung verwendet wird, da seine Entkopplungseffizienz über die Bandbreite der betreffenden Schaltung unterschiedlich ist.Dieser Rechner zeigt grafisch, wovon ich spreche.http://app.pdntool.com/
Ich sage, wenn Sie etwas über Ihre Last wissen (wie die maximale Stromaufnahme), können Sie den Kondensator für die Dauer und den Umfang der Filterung dimensionieren, die Sie benötigen.
@Trevor ist nur ein Beispiel. Sie können jederzeit beliebige Zahlen in die Gleichung einfügen.
Ya mein Kommentar war keine Kritik @laptop2d, eher eine Ergänzung.Es ist ein guter Ausgangspunkt, wird aber schnell kompliziert, insbesondere bei mehreren Gates und Frequenzen.
#5
+1
Andy aka
2017-06-15 00:02:04 UTC
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Sie können Formeln für Kondensatoren ableiten, die eine bestimmte lokalisierte Welligkeitsspannung für einen bestimmten lokalisierten Chipstrom zulassen, während sie von einer bestimmten Stromschiene mit so vielen Mikro- oder Nano-Henries in der Stromversorgung gespeist werden.Sie können dies erweitern, um andere lokalisierte Chips aufzunehmen und möglicherweise Entscheidungen über die gemeinsame Nutzung eines Entkopplers zu treffen.Dann müssen Sie über die Eigenresonanzfrequenz einiger Kondensatoren nachdenken und entscheiden, ob tatsächlich niedrigere Werte vorzuziehen sind oder ob zwei Kondensatoren mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz am besten geeignet sind.Möglicherweise möchten Sie auch den effektiven Serienwiderstand einiger Kondensatoren berücksichtigen, die normalerweise elektrolytisch sind, und eine ganze Menge Mathematik ausführen.

Auf der anderen Seite wählen Sie den praktischen Ansatz und wählen normalerweise 100 nF für Ihre digitalen Chips. Wenn Sie der Meinung sind, dass die Geschwindigkeit hoch genug ist, wählen Sie 10 nF, um Resonanz zu vermeiden.Sie sollten auch das Datenblatt jedes Chips lesen und sehen, was es empfiehlt.



Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
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