Die Fähigkeit eines Bypass-Kondensators, das Rauschen zu reduzieren und die Stromversorgung in einer Schaltung zu stabilisieren, hängt von einer Kombination von Faktoren ab. Am wichtigsten sind seine Kapazitäts-, Spannungs- und Temperaturwerte sowie die Platzierung auf der Platine.

Der Kondensator ist normalerweise zwischen VCC und Masse geschaltet und bietet einen niederohmigen Pfad, der es den Wechselstromkomponenten in der Gleichstromleitung ermöglicht, zur Masse zu gelangen. Er fungiert auch als Energiereserve, indem er die Ladung speichert, die dazu beiträgt, die durch Lastschwankungen entstehenden Spannungseinbrüche auszugleichen.

Trotz der Fähigkeit eines Kondensators, mehrere Probleme zu lösen, kann die falsche Wahl oder Platzierung Leistungsverluste verursachen, zusätzliches Rauschen erzeugen oder zu einer instabilen Schaltung führen.

Neben den Nennwerten, dem Typ und der physischen Größe müssen Ingenieure auch der Platzierung des Bypass-Kondensators große Aufmerksamkeit schenken.

Die ideale Platzierung von Bypass-Kondensatoren hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter das Layout der Leiterplatte, die Funktion des Chips oder der Komponente, die Anzahl der Leiterplattenschichten, die Größe der Leiterplatte und mehr.

Jede Leiterplatte hat ihre eigenen spezifischen Anforderungen, die ein Designer berücksichtigen muss. Die falsche Wahl des Kondensators oder die falsche Platzierung führt mit Sicherheit zu zusätzlichen Problemen oder Schaltkreisausfällen. Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, sind hier die besten Praktiken für die Platzierung von Bypass-Kondensatoren auf Elektronikplatinen aufgeführt.

Die ideale Position für die Platzierung von Bypass-Kondensatoren ist so nah wie möglich am Versorgungspin des Bauteils. Durch die Platzierung des Bypass-Kondensators in unmittelbarer Nähe des Stromversorgungspins werden die Auswirkungen der Stromspitzen während des Schaltvorgangs reduziert. Außerdem bietet er einen niederohmigen Pfad zur Erde für AC-Rauschsignale. Wenn er weiter vom Pin entfernt platziert wird, erzeugt die zusätzliche Leiterbahnlänge eine zusätzliche Serieninduktivität, die letztendlich die Eigenresonanzfrequenz und die nutzbare Bandbreite des Bypass-Kondensators senkt.

In typischen Anwendungen gibt es immer einen gewissen Abstand zwischen der Stromquelle und den Schaltungskomponenten, wie z. B. ICs. Im Idealfall sollten die Kupferleitungen zwischen den ICs und dem Leistungsregler als Kurzschlüsse mit einer Impedanz von Null wirken. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall, und die Leiterbahnen weisen eine Impedanz ungleich Null auf, die dem Stromfluss entgegenwirkt und somit die Spannung und den Strom, die dem Chip zur Verfügung stehen, beeinflusst.

Die Leiterbahnen weisen, genau wie Drähte, eine gewisse Form von Widerstand und Induktivität auf. Am meisten zu beachten ist die Induktivität in den Leiterbahnen, da sie einen größeren Einfluss auf den Stromfluss hat. Wenn sich ein IC oder ein aktives Gerät einschaltet, zieht es einen hohen Strom aus der Stromversorgung.

Im Grunde sollte der gesamte Strom ohne Widerstand oder Verzögerung durch die Leiterbahnen fließen. Die Induktivität wirkt jedoch der Änderungsrate des Stroms entgegen und verhindert somit, dass der Strom schnell genug ansteigt oder abfällt, wie es das Gerät benötigt. Die Verzögerung wirkt sich auf den Schaltvorgang aus, und die Ausgangswellenform kann verzerrt werden.

Im Allgemeinen nimmt die Induktivität der Leiterbahnen mit der Länge zu, was sich auf die Resonanzfrequenz des Kondensators auswirkt, was häufig zu einer geringeren Bandbreite führt und das Rauschen nicht vollständig unterdrücken kann.

Die Minimierung der Leiterbahnlänge verringert die Induktivität, den Widerstand und die Gesamtimpedanz.

Breite Bandbreite – Verwenden Sie mehrere Kondensatoren

Ein einzelner Kondensator ist in der Regel am besten geeignet, um Rauschen in einem bestimmten Frequenzbereich zu unterdrücken, aber er ist unzureichend für Geräte, die über einen breiten Frequenzbereich arbeiten. Bei Anwendungen mit großer Bandbreite besteht die beste Lösung darin, mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten parallel zu schalten. Die großen Kondensatoren bieten einen niederohmigen Pfad für die niedrigen Frequenzen, während die kleineren Kondensatoren die höheren Frequenzen übernehmen.

Mit der richtigen Auswahl und Platzierung kann ein Entwickler einen niederohmigen Pfad für alle anwendbaren Frequenzen bereitstellen.

Bei der Platzierung ist es am besten, die Kondensatoren in aufsteigender Reihenfolge anzuordnen, beginnend mit dem Kondensator mit dem kleinsten Wert, der dem Stromversorgungspin am nächsten liegt, und dann die größeren in aufsteigender Reihenfolge hinzuzufügen.

Der kleine Kondensator reagiert schneller auf Hochfrequenzsignale und wird auch durch den großen Kondensator am anderen Ende aufgeladen. Da der große Kondensator mehr Zeit zum Aufladen benötigt, reagiert er bei hochfrequenten Signalen nicht rechtzeitig, funktioniert aber bei niedrigeren Frequenzen gut. In einer typischen Anwendung mit zwei parallel geschalteten Kondensatoren wird der 0,1uF-Kondensator neben dem Stromversorgungspin platziert, gefolgt von dem größeren 10uF-Kondensator.

Da die Leiterbahn einen gewissen Widerstand und eine Induktivität hinzufügt, sollte sie so kurz wie möglich gehalten werden; andernfalls erhöht sie die Gesamtimpedanz des Rauschsignals.

Unterhalb und gegenüber

Hier können die Kondensatoren direkt unter den SMT-Bauteilen, aber auf der anderen Seite der Platine platziert werden. Die Position direkt unter dem Chip sorgt für die kürzest mögliche Leiterbahnlänge.

Am besten ist es, wenn der Kondensator direkt an den Power- und Ground-Pins und auf der gegenüberliegenden Seite des Chips platziert werden kann.

Durch die Platzierung der Bypass-Kondensatoren unterhalb des Chips wird Platz auf der Platine frei und es entsteht Raum für weitere Durchkontaktierungen. Neben der Platzersparnis trägt dies auch dazu bei, den Pfad zur Masse kürzer zu halten, da der Kondensator direkt an die Massepins der Komponenten angeschlossen werden kann.

Bei Geräten mit mehreren Stromversorgungspins ist mindestens ein Bypass-Kondensator an jedem Versorgungspin zu verwenden. Obwohl das Gerät mit einem oder zwei Kondensatoren funktionieren kann, ist es eine gute Praxis, mindestens einen Bypass-Kondensator für jeden der Versorgungspins hinzuzufügen und ihn so nah wie physisch möglich zu platzieren. Diese Platzierung verhindert Instabilitäten, wenn das Gerät mehrere Ausgänge gleichzeitig schaltet.

Wenn das Gerät über einen breiten Frequenzbereich arbeitet, ist es ratsam, weitere geeignete parallele Kondensatoren in aufsteigender Reihenfolge hinzuzufügen.

Masseverbindung

Entwerfer sollten die nächstgelegene Masseverbindung oder den nächstgelegenen Pin verwenden, um die Induktivität zu minimieren und den Durchgang von Wechselstrom-Rauschsignalen zur Masse zu erleichtern. Dies lässt sich am besten dadurch erreichen, dass die anderen Enden der Bypass-Kondensatoren mit niederohmigen Masseflächen verbunden werden, was durch kurze Leiterbahnlängen oder Durchkontaktierungen erreicht werden kann.

Zusammenfassung

• Platzieren Sie den Kondensator so nahe wie physisch möglich am Stromversorgungspin des Geräts. Dies reduziert den induktiven Einfluss der Leiterbahn.
• Wenn Sie mehrere Kondensatoren parallel verwenden, platzieren Sie den (wertmäßig) kleinsten Kondensator am nächsten zum Stromversorgungspin und fügen Sie die anderen in aufsteigender Reihenfolge hinzu.
• Platzieren Sie den Kondensator möglichst unterhalb des Chips.
• Schließen Sie den anderen Anschluss des Kondensators direkt an den Erdungspin des Geräts an, wenn der Abstand kurz genug ist. Wenn dies nicht möglich ist, verbinden Sie ihn auf dem kürzesten Weg oder über eine Durchkontaktierung mit der Massefläche.

Schlussfolgerung

Die richtige Auswahl und Verwendung von Bypass-Kondensatoren ist die effektivste Methode, um unerwünschtes Rauschen und Störungen in einer elektronischen Schaltung zu reduzieren. Der Anschluss des richtigen Kondensators zwischen der Stromversorgung und den Erdungsstiften schafft einen niederohmigen Pfad für das Wechselstromrauschen. Außerdem speichert er die Energie, um Spannungseinbrüche auszugleichen und für eine saubere Stromversorgung und einen rauschfreien Stromkreis zu sorgen.

Neben der richtigen Auswahl des Kondensators ist die Platzierung entscheidend für eine gute Umgehung. Am besten ist es, den Kondensator so nahe wie möglich an den Stromversorgungspins des Geräts zu platzieren.