Auswahl von Entkopplungskondensatoren: Vorspannung, SRF, Abstand

Decoupling Capacitor Selection: Bias, SRF, Distance

Auswahl von Entkopplungskondensatoren: Dielektrikum, Vorspannung und Abstand

Ein 10-µF-Kondensator ist nicht 10 µF. Bei Nennspannung kann er die Hälfte davon haben, und oberhalb seiner Eigenresonanzfrequenz wirkt er wie eine Induktivität. Die drei Zahlen, auf die es ankommt, stehen nicht auf der ersten Seite.

Kurze Antwort

Dielektrikum: X7R für Entkopplung, C0G für Filter und Timing, X5R nur bei niedriger Vorspannung.
DC-Vorspannung: Ein 10-µF-X5R-Kondensator bei 25 V kann 60–80 % seiner Kapazität verlieren.
Selbstresonanz: Ein 100-nF-Kondensator im 0402-Gehäuse resoniert bei etwa 25 MHz; oberhalb davon ist er induktiv.
Abstand: 1 nH pro mm. Fünf Millimeter sind eine andere Komponente.

1. Dielektrika sind nicht austauschbar

Klasse	Stabilität	Verwendung
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

Derselbe Nennwert kann sich bei C0G und Y5V in der Schaltung um den Faktor fünf unterscheiden. Der Preisunterschied ist gering; die Auswirkung auf das Design ist es nicht.

Fall	Nennwert	Im Schaltkreis (Schätzung)
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: das versteckte Derating

Effective capacitance versus DC bias for C0G, X7R and X5R — Abbildung 1 — Illustrativ: X5R und X7R verlieren bei Vorspannung an Kapazität; C0G nicht.

Dies ist der häufigste Grund, warum ein Entkopplungsnetzwerk, das auf dem Papier großzügig aussieht, im Schaltkreis grenzwertig ist. Ein 10-µF-X5R-25-V-Bauteil kann bei 12 V 4 µF aufweisen; ein 10-µF-X7R-16-V-Bauteil kann bei 12 V 5 µF aufweisen. Der Datenblattwert wird bei 0 V gemessen.

Praktische Konsequenz: Bei einer Versorgungsschiene, die innerhalb von 50 % der Kondensator-Nennspannung liegt, sind 50 % des Nennwerts anzunehmen, sofern der Hersteller keine Bias-Kurve veröffentlicht. Für C0G ist der Nennwert zu verwenden.

3. Oberhalb der Selbstresonanz ist er ein Induktor

Impedance versus frequency for 1 uF, 100 nF and 10 nF capacitors — Abbildung 2 — Jeder Kondensator hat bei seiner SRF eine minimale Impedanz; oberhalb davon dominiert 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

Unterhalb der SRF fällt die Impedanz mit der Frequenz; oberhalb davon bestimmt die ESL die Impedanz und steigt an. Deshalb ersetzt ein 1-µF-Bauteil bei hoher Frequenz kein 100-nF-Bauteil, und deshalb sollte der kleine Kondensator am nächsten am Pin liegen.

Zwei parallel geschaltete Kondensatoren addieren sich nicht einfach: Zwischen ihren Eigenresonanzfrequenzen kann das Paar einen lokalen Impedanzanstieg (Antiresonanz) zeigen; deshalb ist ein kleiner C0G neben dem Pin und ein größerer X7R in der Nähe ein besseres Paar als zwei identische Bauteile. Die genaue Form hängt vom ESR ab, der die Spitze dämpft.

Impedance of the same 100 nF value in 0402 and 1206 packages — Abbildung 3 — Gleicher Wert, anderes Gehäuse: Das größere Gehäuse hat mehr ESL und eine niedrigere SRF.

4. Abstand ist Induktivität

Voltage transient versus capacitor distance from the IC pin — Abbildung 4 — Illustrativ: ein 0.5 A Schritt in 1 ns über 1 nH/mm. Fünf Millimeter sind 0.5 V.

Der Kondensator liefert den Strom, auf den der Regler nicht reagieren kann, und die Leiterbahn zwischen beiden ist eine Induktivität in Reihe mit dieser Versorgung. Die Regel lautet: Platzierung zuerst, Wert zweitens: ein 100 nF am Pin ist besser als ein 10 µF am fernen Ende der Platine bei Hochfrequenztransienten.

Vias sind Teil der Distanz. Ein einzelnes Via zur Massefläche fügt etwa 0.5–1 nH hinzu; zwei parallele Vias halbieren das. Bei einer Hochstromschiene zählt der Rückweg durch die Fläche ebenso viel wie der Kondensatorwert.

5. Nach Rolle auswählen

Four capacitor roles: bulk, local decoupling, high frequency, analog reference — Abbildung 5 — Vier Aufgaben, vier verschiedene Teile. Ein Wert kann nicht alle vier erfüllen.

Rolle	Typisch	Fehler
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

Bei Schaltwandlern führt der Eingangskondensator ebenfalls Rippelstrom; siehe denBuck-Layout-Leitfadenfür diese Berechnung. Für die SPI- und I²C-Seite siehe denFlash-Layout-Leitfadenzeigt die gleiche Platzierungslogik bei einer anderen Frequenz.

5b. Eine praktische Voreinstellung

Schiene	Standardnetzwerk
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. Checkliste

Wählen Sie das Dielektrikum nach seiner Rolle, nicht nach dem Preis.
Prüfen Sie die DC-Bias-Kurve bei der Betriebsspannung.
Prüfen Sie die SRF im Verhältnis zu den Frequenzen, die entkoppelt werden müssen.
Platzieren Sie den kleinsten Kondensator möglichst nah am Pin.
Fügen Sie der Massefläche Vias hinzu, mindestens ein Via pro Kondensator.
Prüfen Sie bei großen Werten den Rippelstrom und die Gehäusegröße.

7. FAQ

Ist ein größerer Kondensator immer besser?

Nein. Größere Werte haben mehr ESL und eine niedrigere SRF und ersetzen bei hohen Frequenzen keinen kleinen Kondensator.

Warum misst mein 10 µF nur 4 µF?

DC-Bias. Keramikkondensatoren der Klasse II verlieren Kapazität, wenn die Spannung sich der Nennspannung nähert. C0G nicht.

Kann ich einen Kondensator für alles verwenden?

Nicht gut. Bulk-, lokale und Hochfrequenzaufgaben haben unterschiedliche Anforderungen.

Spielt die Alterung von Kondensatoren eine Rolle?

Bei Klasse-II-Keramikkondensatoren driftet die Kapazität langsam mit der Zeit und wird durch Lötwärme wiederhergestellt. Für präzises Timing verwenden Sie C0G.

Wie nah ist nah genug?

Bei einem lokalen Entkopplungskondensator innerhalb weniger Millimeter, mit einer kurzen Rückführung zur Ebene. Im Zweifelsfall näher platzieren.

Brauche ich an jedem Versorgungspin einen Kondensator?

In der Regel ja, ein kleiner Kondensator pro Pin, plus der Bulk-Kondensator, der gemeinsam von der Versorgungsschiene genutzt wird.

8. Quellen

Datenblätter für Keramikkondensatoren der Hersteller — DC-Bias-Kurven, Temperaturkoeffizienten, ESR/ESL.
Applikationshinweise zu Entkopplung und PDN-Design (TI, Analog Devices, Murata, TDK).
JEDEC/IPC-Normen für Komponenten und Baugruppen im Gehäuse- und Montagekontext.