Condensadores de derivación: Sobre la colocación
La capacidad de un condensador de derivación para reducir el ruido y estabilizar la fuente de alimentación en un circuito depende de una combinación de factores. Lo más importante es su capacitancia, voltaje y temperatura, así como la colocación física en la placa.
Conectado generalmente entre VCC y la tierra, el condensador proporciona una ruta de baja impedancia que permite que los componentes de CA en la línea de alimentación de CC pasen a la tierra. También actúa como una reserva de energía, almacenando la carga que ayuda a rellenar las caídas de tensión que surgen de las fluctuaciones de la carga.
A pesar de la capacidad de un condensador para resolver varios problemas, la elección o colocación incorrecta puede causar pérdidas de energía, crear ruido adicional o conducir a un circuito inestable.
Además de los valores nominales, el tipo y el tamaño físico, los ingenieros deben prestar mucha atención a la ubicación física del condensador de derivación.
La ubicación ideal de los condensadores de derivación depende de una amplia gama de factores, como la disposición de la placa, la función del chip o del componente, el número de capas de la placa de circuito impreso, el tamaño de la placa y mucho más.
Cada placa de circuito impreso tiene sus propias necesidades específicas que el diseñador debe atender. La elección incorrecta del condensador o la colocación física creará sin duda problemas adicionales o fallos en el circuito. Para garantizar un rendimiento óptimo, a continuación se indican las mejores prácticas para colocar los condensadores de derivación en las placas electrónicas.
La ubicación ideal para colocar los condensadores de derivación es lo más cerca posible de la patilla de alimentación del componente. Al colocar el condensador de bypass muy cerca de la patilla de alimentación, se reduce el impacto de los picos de corriente durante la conmutación. También proporciona una vía de baja impedancia a tierra para las señales de ruido de CA. Si se coloca más lejos de la clavija, la longitud adicional de la traza crea una inductancia en serie adicional que acaba reduciendo la frecuencia autorresonante y el ancho de banda útil del condensador de bypass.
En las aplicaciones típicas, siempre hay cierta distancia entre la fuente de alimentación y los componentes del circuito, como los CI. Idealmente, las trazas de cobre entre los CI y el regulador de potencia deberían actuar como circuitos cortos con impedancia cero. Sin embargo, esto no es así en la práctica, y las trazas tendrán una impedancia distinta de cero que se opone al flujo de corriente, afectando así a la tensión y a la corriente disponible para el chip.
Las trazas, al igual que los cables, presentarán alguna forma de resistencia e inductancia. Lo que más debe preocupar es la inductancia en las trazas porque tiene un mayor impacto en el flujo de energía. Cuando un circuito integrado o un dispositivo activo se enciende, toma una gran corriente de la fuente de alimentación.
En principio, toda la corriente debería pasar por las trazas sin ninguna resistencia ni retardo. Sin embargo, la inductancia se opone a la tasa de cambio de la corriente, por lo que impide que la corriente aumente o disminuya lo suficientemente rápido como lo requiere el dispositivo. El retardo afecta al proceso de conmutación, y la forma de onda de salida puede distorsionarse.
Generalmente, la inductancia de las trazas aumentará con la longitud, lo que afecta a la frecuencia de resonancia del condensador, dando lugar a menudo a un menor ancho de banda y a la incapacidad de suprimir todo el ruido.
Minimizar la longitud de las trazas reduce la inductancia, la resistencia y la impedancia general.
Ancho de banda amplio – Utilizar varios condensadores
Un solo condensador suele ser el mejor para suprimir el ruido en un rango de frecuencias concreto, pero será insuficiente para los dispositivos que operan en un amplio rango de frecuencias. En aplicaciones de ancho de banda amplio, la mejor solución es conectar varios condensadores con diferentes valores en paralelo. Los condensadores grandes proporcionarán una trayectoria de baja impedancia para las frecuencias bajas, mientras que los condensadores más pequeños se encargarán de las frecuencias más altas.
Con la selección y colocación adecuadas, un diseñador puede proporcionar una trayectoria de baja impedancia para todas las frecuencias aplicables.
Cuando se trata de la colocación, la mejor práctica es disponerlos en orden ascendente, comenzando con el condensador de menor valor más cercano a la clavija de alimentación y luego añadiendo los más grandes en orden ascendente.
El condensador pequeño responde más rápidamente a las señales de alta frecuencia y también es cargado por el condensador grande en el otro extremo. Como el condensador grande requiere más tiempo para cargarse, no responde a tiempo para las señales de alta frecuencia, pero funciona bien a frecuencias más bajas. En una aplicación típica que utiliza dos condensadores en paralelo, el condensador de 0,1uF se coloca junto a la patilla de alimentación y seguido del condensador más grande de 10uF.
Dado que la traza añade algo de resistencia e inductancia, manténgala lo más corta posible; de lo contrario, aumentará la impedancia general de la señal de ruido.
Debajo y enfrente
Aquí, los condensadores pueden colocarse directamente debajo de los componentes SMT pero en el otro lado de la placa. La posición directamente debajo del chip asegura la menor longitud de traza posible.
Es mejor si el condensador puede colocarse directamente sobre los pines de alimentación y tierra y en el lado opuesto del chip.
Colocar los condensadores de bypass debajo liberará espacio en la placa y dará lugar a más vías. Además de liberar espacio, esto también ayudará a mantener el camino a tierra más corto, ya que el condensador se puede conectar directamente a los pines de tierra del componente.
Utilice al menos un condensador de derivación en cada pin de alimentación en dispositivos con múltiples pines de alimentación. Aunque el dispositivo puede funcionar con uno o dos condensadores, es una buena práctica añadir al menos un condensador de bypass para cada una de las patillas de alimentación y colocarlo lo más cerca posible físicamente. Esta colocación evita inestabilidades cuando el dispositivo tiene varias salidas conmutando simultáneamente.
Si el dispositivo funciona en un amplio rango de frecuencias, es aconsejable añadir otros condensadores paralelos apropiados en orden ascendente.
Conexión a tierra
Los diseñadores deben utilizar la conexión o patilla de tierra más cercana para minimizar la inductancia y facilitar el paso de las señales de ruido de CA a tierra. La forma eficaz de conseguirlo es conectando los otros extremos de los condensadores de derivación a planos de tierra de baja impedancia, lo que puede conseguirse mediante longitudes de traza cortas o vías.
Resumen
- Coloque el condensador lo más cerca posible físicamente de la patilla de alimentación del dispositivo. Esto reduce la influencia inductiva de la traza.
- Cuando utilice varios condensadores en paralelo, coloque el condensador más pequeño (en valor) más cercano a la patilla de alimentación y añada los demás en orden ascendente.
- Coloque el condensador debajo del chip siempre que sea posible.
- Conecte el otro terminal del condensador directamente a la patilla de tierra del dispositivo cuando la distancia sea lo suficientemente corta. Si no es así, conéctelo al plano de tierra utilizando la traza más corta o a través de una vía.
Conclusión
La selección y el uso adecuados de los condensadores de derivación es la forma más eficaz de reducir el ruido y las interferencias no deseadas en un circuito electrónico. La conexión del condensador correcto entre la fuente de alimentación y los pines de tierra crea una ruta de baja impedancia para el ruido de CA. También almacena la energía para ocuparse de las caídas de tensión y asegurar una alimentación limpia, y un circuito libre de ruido.
Además de la selección adecuada del condensador, la colocación física es crítica para una derivación de calidad. La mejor práctica es colocar el condensador lo más cerca posible de los pines de alimentación del dispositivo.