Valg av avkoblingskondensator: forspenning, SRF, avstand

Decoupling Capacitor Selection: Bias, SRF, Distance

Valg av avkoblingskondensator: Dielektrikum, bias og avstand

En 10 µF-kondensator er ikke 10 µF. Ved merkespenning kan den være halvparten, og over sin selvresonansfrekvens er den en induktor. De tre tallene som betyr noe, står ikke på forsiden.

Kort svar

Dielektrikum: X7R for avkobling, C0G for filtre og timing, X5R bare når biasen er lav.
DC-bias: en 10 µF X5R ved 25 V kan miste 60–80 % av kapasitansen.
Selvresonans: 100 nF 0402 resonerer nær 25 MHz; over det er den induktiv.
Avstand: 1 nH per mm. Fem millimeter er en annen komponent.

1. Dielektrika er ikke utskiftbare

Klasse	Stabilitet	Bruk
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 verdien i C0G og Y5V kan avvike med en faktor på fem i en krets. Prisforskjellen er liten; konsekvensen for designet er det ikke.

Tilfelle	Nominell	I krets (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 deratingen

Effective capacitance versus DC bias for C0G, X7R and X5R — Figur 1 — Illustrerende: X5R og X7R mister kapasitans ved bias; C0G gjør det ikke.

Dette er den vanligste årsaken til at et avkoblingsnett som ser romslig ut på papiret, er marginalt i kretsen. 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. Databladverdien måles ved 0 V.

Praktisk konsekvens: for en skinne innenfor 50 % av kondensatorens merkespenning, anta 50 % av den nominelle verdien med mindre leverandøren publiserer en bias-kurve. For C0G, bruk den nominelle verdien.

3. Over egenresonansen 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 denne 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 faller impedansen med frekvensen; over SRF bestemmer ESL impedansen, og den stiger. Det er derfor en 1 µF-komponent ikke erstatter en 100 nF-komponent ved høy frekvens, og derfor den lille kondensatoren bør være nærmest pinnen.

To kondensatorer i parallell legges ikke bare sammen: mellom deres selvresonansfrekvenser kan paret vise en lokal impedansøkning (antiresonans), og det er derfor en liten C0G ved pinnen og en større X7R i nærheten er et bedre par enn to identiske komponenter. Den nøyaktige formen avhenger av ESR, som demper toppen.

Impedance of the same 100 nF value in 0402 and 1206 packages — Figur 3 — Samme verdi, annen kapsel: den større kapselen har mer ESL og lavere SRF.

4. Avstand er induktans

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

Kondensatoren leverer strømmen regulatoren ikke kan reagere på, og lederbanen mellom dem er en induktor i serie med den forsyningen. Regelen er plassering først, verdi deretter: en 100 nF ved pinnen slår en 10 µF i den fjerne enden av kortet for høyfrekvente transienter.

Viaer er en del av avstanden. En enkelt via til jordplanet øker med omtrent 0.5–1 nH; to parallelle viaer halverer det. For en høystrømskinne betyr returveien gjennom planet like mye som kondensatorverdien.

5. Velg etter rolle

Four capacitor roles: bulk, local decoupling, high frequency, analog reference — Figur 5 — Fire oppgaver, fire forskjellige deler. Én verdi kan ikke klare alle fire.

Rolle	Typisk	Feil
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 svitsjende omformere bærer inngangskondensatoren også rippelstrøm; sebuck-layoutveiledningenfor den beregningen. For SPI- og I²C-siden,flash-layoutveiledningenviser samme plasseringslogikk ved en annen frekvens.

5b. Et praktisk standardvalg

Skinne	Standardnettverk
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. Sjekkliste

Velg dielektrikum etter rolle, ikke etter pris.
Sjekk DC-bias-kurven ved arbeidsspenningen.
Sjekk SRF mot frekvensene du trenger å avkoble.
Plasser den minste kondensatoren nærmest pinnen.
Legg til vias til jordplanet, minst én per kondensator.
For store verdier, sjekk rippelstrøm og kapselstørrelse.

7. FAQ

Er en større kondensator alltid bedre?

Nei. Større verdier har mer ESL og lavere SRF, og de erstatter ikke en liten kondensator ved høy frekvens.

Hvorfor måler min 10 µF-kondensator 4 µF?

DC-bias. Klasse II-keramiske kondensatorer mister kapasitans når spenningen nærmer seg merkespenningen. C0G gjør ikke det.

Kan jeg bruke én kondensator til alt?

Ikke godt. Bulk-, lokal- og høyfrekvensroller har forskjellige krav.

Har aldring av kondensatorer noe å si?

For klasse II-keramikk endrer kapasitansen seg sakte over tid og gjenopprettes av loddevarme. For presis timing bør du bruke C0G.

Hvor nær er nær nok?

Innen noen få millimeter for den lokale avkoblingskondensatoren, med kort retur til planet. Hvis du er i tvil, flytt den nærmere.

Trenger jeg en kondensator på hver strømpinne?

Vanligvis ja, én liten kondensator per pinne, pluss bulkkondensatoren som deles av strømskinnen.

8. Kilder

Produsentdatablad for keramiske kondensatorer — DC-bias-kurver, temperaturkoeffisienter, ESR/ESL.
Applikasjonsnotater om avkobling og PDN-design (TI, Analog Devices, Murata, TDK).
JEDEC/IPC-standarder for komponenter og montering, for kapsel- og monteringskontekst.