Sélection des condensateurs de découplage : polarisation, SRF, distance

Decoupling Capacitor Selection: Bias, SRF, Distance

Sélection des condensateurs de découplage : diélectrique, polarisation et distance

Un condensateur de 10 µF n’est pas un 10 µF. À sa tension nominale, il peut n’en valoir que la moitié, et au-dessus de sa fréquence d’auto-résonance, il est une inductance. Les trois chiffres qui comptent ne figurent pas en première page.

Réponse rapide

Diélectrique: X7R pour le découplage, C0G pour les filtres et la temporisation, X5R uniquement lorsque la polarisation est faible.
Polarisation DC: un 10 µF X5R à 25 V peut perdre 60–80 % de sa capacité.
Auto-résonance: un 100 nF 0402 résonne près de 25 MHz ; au-delà, il est inductif.
Distance: 1 nH par mm. Cinq millimètres correspondent à un composant différent.

1. Les diélectriques ne sont pas interchangeables

Classe	Stabilité	Utilisation
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

La même valeur nominale en C0G et Y5V peut varier d’un facteur cinq dans le circuit. La différence de prix est faible ; la conséquence sur la conception ne l’est pas.

Cas	Nominal	En circuit (estimation)
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. Polarisation DC : le déclassement caché

Effective capacitance versus DC bias for C0G, X7R and X5R — Figure 1 — Illustration : les X5R et X7R perdent de la capacité avec la polarisation ; les C0G non.

C’est la raison la plus fréquente pour laquelle un réseau de découplage qui paraît généreux sur le papier est limite en circuit. Un composant X5R de 10 µF 25 V à 12 V peut mesurer 4 µF ; un X7R de 10 µF 16 V à 12 V peut mesurer 5 µF. La valeur de la fiche technique est mesurée à 0 V.

Conséquence pratique : pour une tension de rail dans la limite de 50 % de la tension nominale du condensateur, supposez 50 % de la valeur nominale, sauf si le fabricant publie une courbe de polarisation. Pour les C0G, utilisez la valeur nominale.

3. Au-delà de la résonance propre, c’est une inductance

Impedance versus frequency for 1 uF, 100 nF and 10 nF capacitors — Figure 2 — Chaque condensateur présente une impédance minimale à sa SRF ; au-dessus, l'ESL domine.

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

En dessous de la SRF, l'impédance diminue avec la fréquence ; au-dessus, l'ESL fixe l'impédance et celle-ci augmente. C'est pourquoi un composant de 1 µF ne remplace pas un composant de 100 nF à haute fréquence, et pourquoi le petit condensateur doit être placé au plus près de la broche.

Deux condensateurs en parallèle ne s'additionnent pas simplement : entre leurs fréquences d'auto-résonance, l'ensemble peut présenter une élévation locale d'impédance (antirésonance), c'est pourquoi un petit C0G près de la broche et un X7R plus grand à proximité constituent une meilleure association que deux composants identiques. La forme exacte dépend de l'ESR, qui amortit le pic.

Impedance of the same 100 nF value in 0402 and 1206 packages — Figure 3 — Même valeur, boîtier différent : le boîtier plus grand présente une ESL plus élevée et une SRF plus basse.

4. La distance est source d'inductance

Voltage transient versus capacitor distance from the IC pin — Figure 4 — À titre d’illustration : un échelon de 0.5 A en 1 ns sur 1 nH/mm. Cinq millimètres correspondent à 0.5 V.

Le condensateur fournit le courant auquel le régulateur ne peut pas répondre, et la piste entre eux est une inductance en série avec cette alimentation. La règle est : placement d’abord, valeur ensuite : un 100 nF à la broche l’emporte sur un 10 µF à l’autre extrémité de la carte pour les transitoires haute fréquence.

Les vias font partie de la distance. Un seul via vers le plan de masse ajoute environ 0.5–1 nH ; deux vias en parallèle divisent cela par deux. Pour un rail à fort courant, le chemin de retour à travers le plan compte autant que la valeur du condensateur.

5. Choisir selon le rôle

Four capacitor roles: bulk, local decoupling, high frequency, analog reference — Figure 5 — Quatre fonctions, quatre composants différents. Une seule valeur ne peut pas remplir les quatre.

Rôle	Typique	Erreur
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

Pour les convertisseurs à découpage, le condensateur d'entrée transporte également un courant d'ondulation ; voir leguide de disposition du buckpour le côté SPI et I²C, leguide de disposition de la flashmontre la même logique de placement à une fréquence différente.

5b. Un choix par défaut pratique

Rail	Réseau par défaut
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. Liste de contrôle

Choisissez le diélectrique selon son rôle, pas selon son prix.
Vérifiez la courbe de polarisation DC à la tension de service.
Vérifiez la SRF par rapport aux fréquences à découpler.
Placez le plus petit condensateur au plus près de la broche.
Ajoutez des vias vers le plan de masse, au minimum un par condensateur.
Pour les grandes valeurs, vérifiez le courant d'ondulation et la taille du boîtier.

7. FAQ

Un condensateur de capacité plus élevée est-il toujours meilleur ?

Non. Les valeurs plus élevées ont une ESL plus importante et une SRF plus basse, et elles ne remplacent pas un petit condensateur à haute fréquence.

Pourquoi mon 10 µF mesure-t-il 4 µF ?

Polarisation DC. Les céramiques de classe II perdent de la capacité lorsque la tension s'approche de la valeur nominale. Ce n'est pas le cas des C0G.

Puis-je utiliser un seul condensateur pour tout ?

Pas efficacement. Les rôles de réservoir, de découplage local et de haute fréquence ont des exigences différentes.

Le vieillissement des condensateurs est-il important ?

Pour les céramiques de classe II, la capacité dérive lentement avec le temps et est restaurée par la chaleur du brasage. Pour les temporisations de précision, utilisez du C0G.

Quelle proximité est suffisante ?

À quelques millimètres pour le condensateur de découplage local, avec un retour court vers le plan. En cas de doute, rapprochez-le.

Ai-je besoin d’un condensateur sur chaque broche d’alimentation ?

Généralement oui, un petit condensateur par broche, plus le condensateur de réserve partagé par le rail.

8. Sources

Fiches techniques des fabricants de condensateurs céramiques — courbes de DC-bias, coefficients de température, ESR/ESL.
Notes d'application sur le découplage et la conception de PDN (TI, Analog Devices, Murata, TDK).
Normes de composants et d'assemblage JEDEC/IPC pour le contexte de boîtier et de montage.