Valg af afkoblingskondensator: Bias, SRF, afstand

Decoupling Capacitor Selection: Bias, SRF, Distance

Valg af afkoblingskondensator: Dielektrikum, bias og afstand

En 10 µF-kondensator er ikke 10 µF. Ved mærkespænding kan den være halvt så stor, og over dens selvresonansfrekvens er den en induktor. De tre tal, der betyder noget, står ikke på forsiden.

Kort svar

Dielektrikum: X7R til afkobling, C0G til filtre og timing, X5R kun når bias er lav.
DC-bias: en 10 µF X5R ved 25 V kan miste 60–80 % af sin kapacitans.
Selvresonans: 100 nF 0402 resonerer nær 25 MHz; over det er den induktiv.
Afstand: 1 nH pr. mm. Fem millimeter er en anden komponent.

1. Dielektrika er ikke udskiftelige.

Klasse	Stabilitet	Anvendelse
C0G / NP0	Excellent, no bias loss	Filters, oscillators, timing
X7R	±15 % over temperature	General decoupling
X5R	±15 %, worse bias	Bulk where space is tight
Y5V	−80 % over temperature	Avoid for anything critical

Den samme nominelle værdi i C0G og Y5V kan variere med en faktor fem i kredsløbet. Prisforskellen er lille; designkonsekvensen er det ikke.

Tilfælde	Nominel	I kredsløb (estimat)
10 µF X5R 25 V at 12 V	10 µF	4–5 µF
10 µF X7R 16 V at 12 V	10 µF	5–6 µF
10 µF C0G 25 V at 12 V	10 µF	10 µF (larger case)

2. DC-bias: den skjulte derating

Effective capacitance versus DC bias for C0G, X7R and X5R — Figur 1 — Illustrativt: X5R og X7R mister kapacitans under bias; C0G gør ikke.

Dette er den mest almindelige årsag til, at et afkoblingsnetværk, der ser generøst ud på papiret, er marginalt i kredsløbet. En 10 µF X5R 25 V-komponent ved 12 V kan måle 4 µF; en 10 µF X7R 16 V ved 12 V kan måle 5 µF. Værdien i databladet er målt ved 0 V.

Praktisk konsekvens: For en forsyningsskinne inden for 50 % af kondensatorens mærkespænding, antag 50 % af den nominelle værdi, medmindre producenten offentliggør en bias-kurve. For C0G bruges den nominelle værdi.

3. Over selvresonansen er den en induktor

Impedance versus frequency for 1 uF, 100 nF and 10 nF capacitors — Figur 2 — Hver kondensator har en minimumsimpedans ved sin SRF; over den dominerer ESL.

SRF = 1 / (2 pi sqrt(L x C))

100 nF, 0.4 nH (0402): 25 MHz
1 uF,   0.8 nH:        5.6 MHz
10 nF,  0.8 nH:        56 MHz

Under SRF falder impedansen med frekvensen; over den sætter ESL impedansen og stiger. Det er derfor, en 1 µF-komponent ikke erstatter en 100 nF-komponent ved høj frekvens, og hvorfor den lille kondensator bør være tættest på benet.

To kondensatorer parallelt lægger ikke blot sammen: mellem deres selvresonansfrekvenser kan parret vise en lokal impedansstigning (antiresonans), og derfor er en lille C0G ved benet og en større X7R i nærheden et bedre par end to identiske komponenter. Den præcise form afhænger af ESR, som dæmper spidsen.

Impedance of the same 100 nF value in 0402 and 1206 packages — Figur 3 — Samme værdi, forskellig kapsel: den større kapsel har mere ESL og en lavere SRF.

4. Afstand er induktans

Voltage transient versus capacitor distance from the IC pin — Figur 4 — Illustrativt: et 0.5 A-trin på 1 ns over 1 nH/mm. Fem millimeter er 0.5 V.

Kondensatoren leverer den strøm, som regulatoren ikke kan reagere på, og banen mellem dem er en induktor i serie med den forsyning. Reglen er placering først, værdi næst: en 100 nF ved benet slår en 10 µF i den fjerne ende af printet for højfrekvente transienter.

Via'er er en del af afstanden. En enkelt via til jordplanet tilføjer cirka 0.5–1 nH; to parallelle via'er halverer det. For en højstrømsrail betyder returvejen gennem planet lige så meget som kondensatorværdien.

5. Vælg efter rolle

Four capacitor roles: bulk, local decoupling, high frequency, analog reference — Figur 5 — Fire opgaver, fire forskellige komponenter. Én værdi kan ikke udføre alle fire.

Rolle	Typisk	Fejl
Bulk input	10–100 µF, low ESR	Using a tiny case for a large value
Local decoupling	100 nF, 0402/0603	Placed 10 mm away
High frequency	10–100 nF, C0G	Using X5R for a filter
Analog reference	1–10 µF, low leakage	High-leakage electrolytic

For switching-konvertere bærer indgangskondensatoren også rippelstrøm; sebuck-layoutvejledningenfor den beregning. For SPI- og I²C-siden,flash-layoutvejledningenviser den samme placeringslogik ved en anden frekvens.

5b. En praktisk standard

Skinne	Standardnetværk
3.3 V logic, low current	100 nF per pin, 10 µF per rail
5 V logic, mixed loads	100 nF per pin, 22 µF per rail
Switching converter input	10 µF ceramic close, plus bulk
Analog reference	1 µF C0G or low-leakage, close

6. Tjekliste

Vælg dielektrikum efter rolle, ikke efter pris.
Kontroller DC-bias-kurven ved arbejdsspændingen.
Kontroller SRF i forhold til de frekvenser, du skal afkoble.
Placer den mindste kondensator tættest på benet.
Tilføj vias til jordplanet, minimum én pr. kondensator.
For store værdier skal du kontrollere ripple-strøm og kapselstørrelse.

7. FAQ

Er en større kondensator altid bedre?

Nej. Større værdier har mere ESL og lavere SRF, og de erstatter ikke en lille kondensator ved høj frekvens.

Hvorfor måler min 10 µF 4 µF?

DC-bias. Klasse II-keramik mister kapacitans, når spændingen nærmer sig mærkespændingen. C0G gør ikke.

Kan jeg bruge én kondensator til alt?

Ikke godt. Bulk-, lokal- og højfrekvensroller har forskellige krav.

Har kondensatorældning betydning?

For klasse-II-keramik driver kapacitansen langsomt med tiden og gendannes af loddevarme. Til præcis timing skal du bruge C0G.

Hvor tæt er tæt nok?

Inden for nogle få millimeter for den lokale afkoblingskondensator, med en kort retur til planet. Er du i tvivl, så flyt den tættere på.

Skal der være en kondensator på hvert strømforsyningsben?

Som regel ja, én lille kondensator pr. ben plus bulk-kondensatoren, der er fælles for forsyningsskinnen.

8. Kilder

Producenters datablade for keramiske kondensatorer — DC-bias-kurver, temperaturkoefficienter, ESR/ESL.
Applikationsnoter om afkobling og PDN-design (TI, Analog Devices, Murata, TDK).
JEDEC/IPC-standarder for komponenter og samling for pakke- og monteringskontekst.