Selectie van ontkoppelcondensatoren: diëlektricum, bias en afstand
Een condensator van 10 µF is geen 10 µF. Bij de nominale spanning kan het de helft daarvan zijn, en boven zijn zelfresonantiefrequentie is het een inductor. De drie getallen die ertoe doen, staan niet op de voorpagina.
Kort antwoord
- Diëlektricum: X7R voor ontkoppeling, C0G voor filters en timing, X5R alleen wanneer de bias laag is.
- DC-bias: een 10 µF X5R bij 25 V kan 60–80 % van zijn capaciteit verliezen.
- Zelfresonantie: een 100 nF 0402 resoneert nabij 25 MHz; daarboven is hij inductief.
- Afstand: 1 nH per mm. Vijf millimeter is een andere component.
1. Diëlektrica zijn niet uitwisselbaar
| Klasse | Stabiliteit | Gebruik |
|---|---|---|
| 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 |
Dezelfde nominale waarde in C0G en Y5V kan in een schakeling een factor vijf verschillen. Het prijsverschil is klein; het gevolg voor het ontwerp niet.
| Casus | Nominaal | In het circuit (schatting) |
|---|---|---|
| 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: de verborgen derating
Dit is de meest voorkomende reden waarom een ontkoppelnetwerk dat op papier ruim lijkt, in het circuit marginaal is. Een 10 µF X5R 25 V-component bij 12 V kan 4 µF meten; een 10 µF X7R 16 V bij 12 V kan 5 µF meten. De datasheetwaarde wordt bij 0 V gemeten.
Praktische consequentie: voor een rail binnen 50 % van de nominale spanning van de condensator, ga uit van 50 % van de nominale waarde, tenzij de fabrikant een biascurve publiceert. Voor C0G: gebruik de nominale waarde.
3. Boven zelfresonantie is het een inductor
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
Onder SRF daalt de impedantie met de frequentie; daarboven bepaalt de ESL de impedantie en stijgt deze. Daarom vervangt een 1 µF-exemplaar bij hoge frequentie geen 100 nF-exemplaar, en daarom moet de kleine condensator het dichtst bij de pin staan.
Twee condensatoren parallel tellen niet simpelweg op: tussen hun zelfresonantiefrequenties kan het paar een lokale impedantiestijging vertonen (anti-resonantie), daarom is een kleine C0G naast de pin en een grotere X7R in de buurt een betere combinatie dan twee identieke exemplaren. De exacte vorm hangt af van ESR, die de piek dempt.
4. Afstand is zelfinductie
De condensator levert de stroom waarvoor de regelaar niet kan reageren, en het spoor tussen hen is een inductor in serie met die voeding. De regel is plaatsing eerst, waarde tweede: een 100 nF aan de pin verslaat een 10 µF aan het verre uiteinde van de printplaat voor hoogfrequente transiënten.
Vias maken deel uit van de afstand. Een enkele via naar het massavlak voegt ruwweg 0.5–1 nH toe; twee parallelle vias halveren dat. Voor een hoogstroomrail is het retourpad door het vlak net zo belangrijk als de condensatorwaarde.
5. Kies op basis van rol
| Rol | Typisch | Fout |
|---|---|---|
| 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 |
Bij schakelomvormers voert de ingangscondensator ook rimpelstroom; zie debuck-layoutgidsvoor die berekening. Voor de SPI- en I²C-zijde, deflash-layoutgidstoont dezelfde plaatsingslogica bij een andere frequentie.
5b. Een praktische standaardinstelling
| Voedingsrail | Standaardnetwerk |
|---|---|
| 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. Checklist
- Kies het diëlektricum op basis van zijn rol, niet op basis van de prijs.
- Controleer de DC-biascurve bij de werkspanning.
- Controleer de SRF ten opzichte van de frequenties die u moet ontkoppelen.
- Plaats de kleinste condensator het dichtst bij de pin.
- Voeg vias toe aan het massavlak, minimaal één per condensator.
- Controleer bij grote waarden de rimpelstroom en de behuizingsgrootte.
7. FAQ
Is een grotere condensator altijd beter?
Nee. Grotere waarden hebben meer ESL en een lagere SRF, en ze vervangen geen kleine condensator bij hoge frequentie.
Waarom meet mijn 10 µF maar 4 µF?
DC-bias. Klasse II-keramieken verliezen capaciteit naarmate de spanning de nominale waarde nadert. C0G niet.
Kan ik één condensator voor alles gebruiken?
Niet goed. Bulk-, lokale en hoogfrequente functies hebben verschillende eisen.
Maakt veroudering van condensatoren uit?
Bij klasse II-keramiek drift de capaciteit langzaam in de tijd en wordt deze hersteld door soldeerwarmte. Gebruik voor precisietiming C0G.
Hoe dichtbij is dichtbij genoeg?
Binnen enkele millimeters voor de lokale ontkoppelcondensator, met een korte retour naar het vlak. Bij twijfel: dichterbij plaatsen.
Heb ik op elke voedingspin een condensator nodig?
Meestal wel: één kleine condensator per pin, plus de bulkcondensator die door de rail wordt gedeeld.
8. Bronnen
- Datasheets van fabrikanten van keramische condensatoren — DC-biascurves, temperatuurcoëfficiënten, ESR/ESL.
- Applicatienotes over ontkoppeling en PDN-ontwerp (TI, Analog Devices, Murata, TDK).
- JEDEC/IPC-normen voor componenten en assemblage in de context van behuizing en montage.
Ontkoppelcondensatoren kiezen?
Stuur de railspanning, de ruisfrequentie en de package. We stellen een diëlektricum en een plaatsing voor die echt werkt.
