Bypass-kondensatorer: Om placering
En bypass-kondensators evne til at reducere støjen og stabilisere strømforsyningen i et kredsløb afhænger af en kombination af flere faktorer. Vigtigst er dens kapacitans-, spændings- og temperaturværdier samt den fysiske placering på printkortet.
Kondensatoren, der normalt er tilsluttet mellem VCC og jorden, giver en lavimpedansvej, der gør det muligt for vekselstrømskomponenterne i jævnstrømsledningen at passere til jorden. Den fungerer også som en energireserve, idet den lagrer den ladning, der hjælper med at udfylde de spændingsdyk, der opstår som følge af udsving i belastningen.
Trods en kondensators evne til at løse flere problemer kan et forkert valg eller en forkert placering forårsage effekttab, skabe yderligere støj eller føre til et ustabilt kredsløb.
Ud over nominelle værdier, type og fysisk størrelse skal ingeniører være meget opmærksomme på den fysiske placering af bypass-kondensatoren.
Den ideelle placering af bypass-kondensatorer afhænger af en lang række faktorer, herunder printkortets layout, chipens eller komponentens funktion, antallet af PCB-lag, printkortets størrelse og meget mere.
Hvert PCB har sine egne specifikke behov, som en designer skal tage højde for. Et forkert valg af kondensator eller en forkert fysisk placering vil helt sikkert skabe yderligere problemer eller fejl i kredsløbet. For at sikre optimal ydelse er her de bedste metoder til placering af bypass-kondensatorer på elektronikprintplader.
Den ideelle placering af bypass-kondensatorer er så tæt som muligt på komponentens forsyningsstift. Ved at placere bypass-kondensatoren meget tæt på strømforsyningsstiften reduceres virkningen af strømspidserne under skiftet. Den giver også en lavimpedansvej til jord for AC-støjsignaler. Hvis den placeres længere væk fra pin’en, skaber den ekstra sporlængde yderligere serieinduktans, som ender med at sænke bypass-kondensatorens selvresonansfrekvens og nyttige båndbredde.
I typiske applikationer er der altid en vis afstand mellem strømkilden og kredsløbskomponenterne, f.eks. IC’er. Ideelt set bør kobberbanerne mellem IC’erne og strømregulatoren fungere som kortslutninger med nulimpedans. Dette er imidlertid ikke tilfældet i praksis, og sporene vil have en impedans, der ikke er nul, og som modvirker strømmen og dermed påvirker den spænding og strøm, der er tilgængelig for chippen.
Sporene vil ligesom ledninger udvise en form for modstand og induktivitet. Det, man skal være mest bekymret for, er induktansen i sporene, fordi den har en større indvirkning på strømgennemstrømningen. Når et IC eller en aktiv enhed tændes, trækker den en høj strøm fra strømforsyningen.
I princippet skal al strømmen passere gennem sporene uden nogen modstand eller forsinkelse. Induktansen modarbejder imidlertid strømmenes ændringshastighed og forhindrer dermed strømmen i at stige eller aftage hurtigt nok, som det kræves af enheden. Forsinkelsen påvirker koblingsprocessen, og udgangsbølgeformen kan blive forvrænget.
Generelt vil induktansen af sporene stige med længden, hvilket påvirker kondensatorens resonansfrekvens, hvilket ofte fører til en mindre båndbredde og manglende evne til at undertrykke al støj.
Minimering af sporlængden reducerer induktansen, modstanden og den samlede impedans.
Bred båndbredde – brug flere kondensatorer
En enkelt kondensator er normalt bedst til at undertrykke støj over et bestemt frekvensområde, men den vil være utilstrækkelig til enheder, der fungerer over et bredt frekvensområde. I applikationer med stor båndbredde er den bedste løsning at forbinde flere kondensatorer med forskellige værdier parallelt. De store kondensatorer vil give en lavimpedansvej for de lave frekvenser, mens de mindre kondensatorer vil håndtere de højere frekvenser.
Med det rette valg og den rette placering kan en konstruktør give en lavimpedansvej for alle de gældende frekvenser.
Når det kommer til placering, er den bedste praksis at arrangere dem i stigende rækkefølge, idet man starter med den kondensator med den mindste værdi tættest på strømstiften og derefter tilføjer de større kondensatorer i stigende rækkefølge.
Den lille kondensator reagerer hurtigere på højfrekvente signaler og oplades også af den store kondensator i den anden ende. Da den store kondensator kræver mere tid til at blive opladet, reagerer den ikke i god tid på højfrekvente signaler, men fungerer fint ved lavere frekvenser. I en typisk applikation, hvor der anvendes to kondensatorer parallelt, placeres 0,1uF-kondensatoren ved siden af strømforsyningsstiften og efterfølges af den større 10uF-kondensator.
Da sporet tilføjer en vis modstand og induktans, skal det holdes så kort som muligt; ellers vil det øge den samlede impedans af støjsignalet.
Under og overfor
Her kan kondensatorerne placeres direkte under SMT-komponenterne, men på den anden side af printpladen. Placeringen direkte under chippen sikrer den kortest mulige sporlængde.
Det er bedst, hvis kondensatoren kan placeres direkte på strøm- og jordstifterne og på den modsatte side af chippen.
Placering af bypass-kondensatorerne nedenunder frigør plads på printpladen og giver plads til flere vias. Ud over at frigøre plads vil dette også hjælpe med at holde stien til jord kortere, da kondensatoren kan tilsluttes direkte til komponentens jordstifter.
Brug mindst én bypass-kondensator på hver forsyningsstift på enheder med flere strømforsyningsstifter. Selv om enheden kan fungere med en eller to kondensatorer, er det god praksis at tilføje mindst én bypass-kondensator til hver af forsyningsstifterne og at placere den så tæt som fysisk muligt. Denne placering forhindrer ustabilitet, når enheden har flere udgange, der skifter samtidig.
Hvis enheden fungerer over et bredt frekvensområde, er det tilrådeligt at tilføje andre passende parallelkondensatorer i stigende rækkefølge.
Masseforbindelse
Designere bør bruge den nærmeste masseforbindelse eller -stift for at minimere induktansen og gøre det lettere for AC-støjsignaler at passere til jorden. Den effektive måde at opnå dette på er ved at forbinde de andre ender af bypass-kondensatorerne til jordplaner med lav impedans, hvilket kan opnås gennem korte sporlængder eller vias.
Summarum
- Placér kondensatoren så tæt som fysisk muligt på enhedens strømforsyningsstift. Dette reducerer sporets induktive påvirkning.
- Når du bruger flere kondensatorer parallelt, skal du placere den mindste kondensator (i værdi) tættest på strømforsyningsstiften og tilføje de andre i stigende rækkefølge.
- Placér kondensatoren under chippen, når det er muligt.
- Forbind kondensatorens anden terminal direkte til enhedens jordstift, når afstanden er kort nok. Hvis ikke, skal du forbinde den til jordpladen ved hjælp af det korteste spor eller gennem et via.
Slutning
Det korrekte valg og brug af bypass-kondensatorer er den mest effektive måde at reducere uønsket støj og interferens i et elektronikkredsløb på. Ved at tilslutte den korrekte kondensator mellem strømforsyningen og jordstifterne skabes der en lavimpedansvej for vekselstrømsstøjen. Den lagrer også energien for at tage sig af spændingsdyk og sikre en ren strøm og et kredsløb uden støj.
Udover det korrekte valg af kondensatoren er den fysiske placering afgørende for bypassing af høj kvalitet. Den bedste praksis er at placere kondensatoren så tæt som muligt på enhedens strømforsyningsstifter.