Чистое питание для каждой микросхемы, часть 2: Выбор и использование блокировочных конденсаторов

Правильный выбор компонентов и тщательная компоновка печатной платы являются неотъемлемой частью развязки питания.

Емкость: сколько достаточно?

В конце предыдущей статьи мы представили идею о том, что эффективность конкретного конденсатора как части схемы блокировки (обхода источника питания) зависит от двух его неидеальных характеристик, а именно от эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивности (ESL). На самом деле, оказывается, что точная емкость компонента не особенно важна в контексте блокировки источника питания. Вот почему производители микросхем могут с уверенностью предлагать одну ту же рекомендацию – «керамический конденсатор 0,1 мкФ на каждом выводе питания» – для широкого спектра аналоговых и цифровых микросхем. Почему важность емкости относительно незначительна? Напомним, что емкость – это просто отношение заряда, хранящегося на пластинах конденсатора, к напряжению на конденсаторе.

\[C = { Q \over V}\]

Таким образом, емкость говорит вам, сколько заряда конденсатор может хранить на вольт на конденсаторе. Если полностью заряженные конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ находятся параллельно между шинами земли и 5В, больший конденсатор имеет заряд 50×10^-6 кулонов (10×10^-6 кулонов на вольт), а меньший – 0,5×10^-6 кулонов (0,1×10^-6 кулонов на вольт).

Насколько величина заряда связана с применением конденсаторов в качестве блокировочных? Давайте посмотрим: ток (в амперах) определяется как количество заряда (в кулонах), проходящее через проводник в единицу времени (в секундах). Другой способ выразить это – через производную:

\[I = {dQ\over dt}\]

Следовательно, ток является скоростью изменения заряда во времени. Это означает, что если мы проинтегрируем ток по времени, то получим общий заряд:

\[\int I dt = Q\]

Теперь давайте вернемся к промоделированным пульсациям питания, о которых говорилось в предыдущей статье. В цепи с 8 инверторами и паразитной индуктивностью 1 нГн, включенной последовательно с внутренним сопротивлением источника питания, генерируются следующие пульсации тока:

LTspice не дает нам реального интегрирования, но мы можем вычислить его, умножив средний ток (26,3 мкА) на интервал (114 мкс – 98 мкс = 16 мкс). Таким образом, общий заряд, необходимый для компенсации этого возмущения, составляет 26,3 мкА × 16 мкс = 4,2×10^-10 кулонов. Это примерно в 1000 раз меньше заряда, чем мы хранили на нашем конденсаторе 0,1 мкФ.

Это моделирование очень упрощено – количество требуемого заряда будет зависеть от числа инверторов в микросхеме, электрических характеристик транзисторов и так далее. Тем не менее, мы всё же можем заключить на основе этих расчетов, что один конденсатор емкостью 0,1 мкФ может хранить намного больше заряда, чем требуется для компенсации высокочастотных импульсов тока, генерируемых цифровым переключением. И это, в свою очередь, демонстрирует, почему точная емкость блокировочного конденсатора не особенно важна: до тех пор, пока конденсатор может хранить достаточный заряд, значение емкости подходит. Оказывается, что 0,1 мкФ является удобным значение, но конденсатор 1 мкФ, или даже 0,01 мкФ, могут быть одинаково подходящими по емкости.

Итак, теперь у нас есть еще один вопрос: ясно, что конденсатор на 10 мкФ обеспечит более чем достаточное пространство для заряда для требований блокировки, так зачем заморачиваться с конденсатором 0,1 мкФ? Это возвращает нас к обсуждению ESR и ESL.

Секретная жизнь конденсатора

Как показывает следующая эквивалентная схема, внутри конденсатора происходит гораздо больше, чем просто емкость:

Для данного обсуждения нам не нужно беспокоиться о Rпар (который учитывает ток утечки через диэлектрик) или Rдп и Cдп (которые вместе учитывают диэлектрическое поглощение). Таким образом, мы имеем следующую упрощенную эквивалентную схему:

Проблема здесь должна быть очевидна. Наш блокировочный конденсатор предназначен для быстрого обеспечения током во время переходных возмущений на линии питания, но теперь у нас есть две составляющие, которые препятствуют протеканию тока: резистор, который представляет собой фиксированный импеданс независимо от частоты, и индуктивность, которая представляет увеличивающийся импеданс по мере увеличения частоты. На этом этапе важно понять, что ESR и ESL определяются главным образом «типом» конденсатора (керамика, тантал, полимер и т.д.) и корпусом. Керамические конденсаторы наиболее популярны при использовании в качестве блокировочных, поскольку они показывают низкие ESR и ESL (а также они недороги). Следующие в очереди, танталовые конденсаторы показывают умеренные значения ESR и ESL вместе с большим отношением емкости к размеру, и поэтому они используются в качестве больших блокировочных конденсаторов, предназначенных для компенсации низкочастотных колебаний на линии питания. Как для керамических, так и для танталовых конденсаторов более крупные корпуса обычно соответствуют более высоким ESL. В следующей таблице, взятой из технического отчета, опубликованного компанией AVX Corporation, перечислены ESL для разных корпусов поверхностного монтажа:

Учитывание ESR при проектировании довольно просто: конденсаторы с малой емкостью, предназначенные для работы с высокочастотным шумом линии питания, должны иметь низкое значение ESR. Однако фактор ESL несколько сложнее. На следующем графике показан импеданс керамического конденсатора 0,1 мкФ размером 0603 с ESL 850 пГн и ESR 50 мОм:

Как обсуждалось в предыдущей статье, блокировочный конденсатор должен обеспечивать путь с низким импедансом, который позволяет высокочастотному шуму «обходить» микросхему на своем пути к узлу земли на схеме. Идеальный конденсатор легко выполнил бы это, так как импеданс конденсатора уменьшается по мере увеличения частоты. Но приведенный выше график говорит о другом: на определенной частоте ESL начинает доминировать над емкостью, поэтому импеданс начинает увеличиваться по мере увеличения частоты. Теперь давайте представим, что вместо керамического конденсатора мы решили использовать танталовый конденсатор 1 мкФ с ESL 2200 пГн и ESR 1,5 Ом:

Импеданс танталового конденсатора сначала меньше, чем у керамического, из-за его более высокой емкости, но эффект более высоких ESR и ESL приводит к тому, что импеданс достигает минимума на 100 кГц, и в итоге на 10 МГц импеданс керамического конденсатора фактически в 10 раз ниже, чем у танталового. Таким образом, если схема восприимчива к шуму на частотах около 10 МГц, керамический конденсатор будет гораздо более эффективен, чем танталовый, хотя танталовый конденсатор и имеет более высокую емкость. Кроме того, если мы имеем дело с шумом на очень высоких частотах, даже керамический конденсатор может иметь слишком большой импеданс. В таком случае нам понадобится более низкий ESL, что означает меньший корпус. Следующий график сравнивает исходный конденсатор 0603 с керамическим конденсатором 0,01 мкФ только с 500 пГн ESL (значение, которое может быть достигнуто с корпусом 0402).

На первый взгляд, кажется, что мы не можем выиграть: конденсатор 0402 улучшает эффективность на высоких частотах, но его импеданс хуже, чем у 0603, от нижней частоты и вплоть до 50 МГц. Хотя мы можем выиграть: мы можем поставить все три этих конденсатора параллельно, и на любой конкретной частоте общий импеданс будет определяться самым низким импедансом из трех.

Итак, теперь у нас есть цепь обхода, которая поддерживает относительно низкий импеданс в очень широком диапазоне частот. Единственным сюрпризом здесь является пик на частоте 50 МГц, где общий импеданс выше, чем отдельные импедансы. Это называется антирезонансным пиком, и вам нужно следить за этим везде, где уменьшающийся (т.е. с доминирующей емкостью) импеданс пересекается с увеличивающимся (т.е. с доминирующей индуктивностью) импедансом.

Не разрушайте хороший проект плохой компоновкой

Правильная компоновка печатной платы является критическим аспектом проектирования блокировки, например, инженеры Texas Instruments обнаружили, что увеличение расстояния между конденсатором 0,1 мкФ и питающим выводом микросхемы с 0,3 дюйма (7,62 мм) до 1 дюйма (25,4 мм) увеличивает амплитуду пульсаций на шине питания с 250 мВ до 600 мВ. К счастью, правила компоновки блокировочных конденсаторов просты: минимизируйте сопротивление, минимизируйте индуктивность. Это достигается путем размещения конденсатора как можно ближе к питающему выводу и использования самых коротких возможных дорожек для всех соединений. В идеале, как земля, так и шина питания могут быть доступны через сквозные отверстия на полигоны.

Подведем итоги о блокировочных конденсаторах

Теперь у нас достаточно информации, чтобы сформулировать краткий набор рекомендаций для успешной блокировки:

• В случае сомнений обеспечьте каждый питающий вывод керамическим конденсатором 0,1 мкФ, предпочтительно размером 0805 или меньше, параллельно танталовому или керамическому конденсатору 10 мкФ.
• Если речь идет только о высокочастотном шуме, возможно, вы можете опустить конденсатор на 10 мкФ или заменить его чем-то меньшим.
• Если вам необходимо компенсировать продолжительные колебания питания, которые потребуют большого количества сохраненного заряда, вам может потребоваться обеспечить каждую микросхему дополнительным более крупным конденсатором, скажем, 47 мкФ.
• Если ваш проект включает в себя очень высокие частоты или особенно чувствительную схему, используйте симулятор для анализа переходных процессов (AC анализ) вашей цепи блокировки. (Возможно, будет сложно найти точные спецификации на ESR и ESL, особенно учитывая, что ESR конденсатора может значительно варьироваться в зависимости от частоты – просто сделайте всё возможное.) При необходимости добавьте керамические конденсаторы с малой ESL для улучшения высокочастотных характеристик импеданса.
• Устанавливайте высокочастотные керамические конденсаторы как можно ближе к питающему выводу и используйте короткие дорожки и сквозные отверстия для минимизации паразитных емкости и сопротивления. Размещение более крупных конденсаторов, предназначенных для низкочастотной блокировки, не столь критично, но они также должны быть близки к микросхеме (в пределах полдюйма (12,7 мм) или около того).

Теги