Bypass-kondensatorer: Om placering
En bypass-kondensators förmåga att minska bruset och stabilisera strömförsörjningen i en krets beror på en kombination av faktorer. Viktigast är dess kapacitans-, spännings- och temperaturvärden samt den fysiska placeringen på kretskortet.
Ovanligtvis ansluten mellan VCC och jorden, ger kondensatorn en låg impedansväg som gör det möjligt för växelströmskomponenterna i likströmsledningen att passera till jorden. Den fungerar också som en energireserv och lagrar den laddning som hjälper till att fylla ut de spänningsdippar som uppstår på grund av fluktuationer i belastningen.
Trots kondensatorns förmåga att lösa flera problem kan ett felaktigt val eller en felaktig placering orsaka effektförluster, skapa ytterligare brus eller leda till en instabil krets.
Integrerare måste, förutom värdena, typen och den fysiska storleken, ägna stor uppmärksamhet åt bypass-kondensatorns fysiska placering.
Den idealiska placeringen för bypass-kondensatorer beror på ett stort antal faktorer, bland annat kretskortets utformning, chipets eller komponentens funktion, antalet kretskortslager, kretskortets storlek med mera.
Varje kretskort har sina egna specifika behov som en konstruktör måste ta hänsyn till. Fel val av kondensator eller fysisk placering kommer säkerligen att skapa ytterligare problem eller kretsfel. För att säkerställa optimal prestanda finns här de bästa metoderna för att placera bypass-kondensatorer på elektronikkretsar.
Den idealiska platsen för att placera bypass-kondensatorer är så nära komponentens försörjningsstift som möjligt. Genom att placera bypass-kondensatorn mycket nära matningsstiftet minskar effekten av strömspikar under omkopplingen. Det ger också en låg impedansväg till jord för växelströmsbrus-signaler. Om den placeras längre bort från stiften skapar den extra spårlängden ytterligare serieinduktans som i slutändan sänker bypass-kondensatorns självresonansfrekvens och användbara bandbredd.
I typiska tillämpningar finns det alltid ett visst avstånd mellan strömkällan och kretsens komponenter, t.ex. integrerade kretsar. I idealfallet bör kopparbanorna mellan kretsarna och effektregulatorn fungera som kortslutningar med noll impedans. I praktiken är det dock inte så, och spåren kommer att ha en impedans som inte är noll och som motsätter sig strömflödet och därmed påverkar den spänning och ström som är tillgänglig för chipet.
Spåren kommer, precis som ledningar, att uppvisa någon form av motstånd och induktans. Det man bör vara mest bekymrad över är induktansen i spåren eftersom den har större inverkan på strömflödet. När en IC eller aktiv enhet slår på drar den en hög ström från strömförsörjningen.
Idealt ska all ström passera genom spåren utan motstånd eller fördröjning. Induktansen motsätter sig dock strömens förändringshastighet och hindrar därmed strömmen från att öka eller avta tillräckligt snabbt enligt enhetens behov. Fördröjningen påverkar kopplingsprocessen, och utgångsvågformen kan bli förvrängd.
I allmänhet kommer induktansen hos spåren att öka med längden, vilket påverkar kondensatorns resonansfrekvens, vilket ofta leder till en mindre bandbredd och oförmåga att undertrycka allt brus.
Minimering av spårlängden minskar induktansen, motståndet och den totala impedansen.
Bred bandbredd – använd flera kondensatorer
En enskild kondensator är vanligtvis bäst på att undertrycka buller över ett visst frekvensområde, men den kommer att vara otillräcklig för enheter som arbetar över ett brett frekvensområde. I tillämpningar med bred bandbredd är den bästa lösningen att ansluta flera kondensatorer med olika värden parallellt. De stora kondensatorerna ger en väg med låg impedans för de låga frekvenserna medan de mindre kondensatorerna hanterar de högre frekvenserna.
Med rätt val och placering kan en konstruktör ge en väg med låg impedans för alla tillämpliga frekvenser.
När det gäller placering är den bästa metoden att ordna dem i stigande ordning, med början med kondensatorn med det minsta värdet närmast kraftstiftet och sedan lägga till de större i stigande ordning.
Den lilla kondensatorn reagerar snabbare på högfrekventa signaler och laddas också av den stora kondensatorn i andra änden. Eftersom den stora kondensatorn behöver mer tid för att laddas reagerar den inte i god tid på högfrekventa signaler men fungerar bra vid lägre frekvenser. I en typisk tillämpning där två kondensatorer används parallellt placeras 0,1uF-kondensatorn bredvid strömförsörjningspinnen och följs av den större 10uF-kondensatorn.
Då spåren lägger till en del motstånd och induktans ska du hålla dem så korta som möjligt, annars kommer de att öka den totala impedansen för brussignalen.
Under och mittemot
Här kan kondensatorerna placeras direkt under SMT-komponenterna, men på andra sidan av kortet. Placeringen direkt under chipet garanterar kortast möjliga spårlängd.
Det är bäst om kondensatorn kan placeras direkt på ström- och jordstiften och på motsatt sida av chipet.
Placering av bypass-kondensatorerna under kommer att frigöra kortutrymme och ge utrymme för fler vias. Förutom att frigöra utrymme hjälper detta också till att hålla vägen till jord kortare eftersom kondensatorn kan anslutas direkt till komponentens jordstift.
Använd minst en bypass-kondensator på varje försörjningsstift på enheter med flera försörjningsstift. Även om enheten kan fungera med en eller två kondensatorer är det god praxis att lägga till minst en förbikopplingskondensator för var och en av matningsstiften och att placera den så nära som det är fysiskt möjligt. Denna placering förhindrar instabiliteter när enheten har flera utgångar som växlar samtidigt.
Om enheten arbetar över ett brett frekvensområde är det lämpligt att lägga till andra lämpliga parallella kondensatorer i stigande ordning.
Massanslutning
Designers bör använda den närmsta massanslutningen eller -stiftet för att minimera induktansen och underlätta för växelströmsbrus-signaler att passera genom till marken. Det effektiva sättet att uppnå detta är att ansluta bypasskondensatorernas andra ändar till jordplan med låg impedans, vilket kan åstadkommas genom korta spårlängder eller vias.
Sammanfattning
- Placera kondensatorn så nära som fysiskt möjligt till enhetens strömförsörjningsstift. Detta minskar spårets induktiva påverkan.
- När du använder flera kondensatorer parallellt, placera den minsta kondensatorn (i värde) närmast strömförsörjningspinnen och lägg till de andra i stigande ordning.
- Placera kondensatorn under chipet när det är möjligt.
- Koppla kondensatorns andra terminal direkt till enhetens jordstift när avståndet är tillräckligt kort. Om inte, anslut den till jordplanet med hjälp av det kortaste spåret eller genom en via.
Slutsats
Det korrekta valet och användningen av bypass-kondensatorer är det effektivaste sättet att minska oönskat brus och störningar i en elektronikkrets. Genom att ansluta rätt kondensator mellan strömförsörjnings- och jordstiften skapas en låg impedansväg för växelströmsbruset. Den lagrar också energin för att ta hand om spänningsdippar och säkerställa en ren ström och en krets fri från brus.
Förutom det korrekta valet av kondensatorn är den fysiska placeringen kritisk för en kvalitativ bypassing. Den bästa metoden är att placera kondensatorn så nära enhetens strömförsörjningspinnar som möjligt.