Hoe u een ontkoppelingscondensator in een PCB kunt gebruiken voor een betere signaalintegriteit

Introductie

Wat het ontwerp van de printplaat betreft, moeten signaalintegriteit en ruisinterferentie goed worden beheerst om efficiënt te kunnen werken. Hiervoor worden ontkoppelingscondensatoren gebruikt. In deze PCBTok- blog leer je wat ontkoppelingscondensatoren zijn.

Wat is een ontkoppelingscondensator?

Deze printplaatcomponent wordt gebruikt om hoogfrequente schakelruis in de voedingslijn te dempen. Het vermindert ook spanningsschommelingen die schadelijk kunnen zijn voor gevoelige geïntegreerde schakelingen. Het wordt gebruikt om de stroomtoevoer in circuits te voorkomen. Het leidt in feite alle ruis die door andere circuitcomponenten wordt gegenereerd, af naar de condensator . Op deze manier heeft de ruis geen invloed op andere delen van het circuit en draagt ​​zo bij aan betere prestaties van de componenten.

Waarom is ontkoppeling noodzakelijk?

Dit zijn de redenen waarom ontkoppeling belangrijk is en de effecten die het heeft op uw printplaat.

Blokkeer hoogfrequente ruis

Dit onderdeel dient om hoogfrequente ruissignalen te onderdrukken. RF-signalen en dergelijke kunnen het circuit verstoren. Dit is vergelijkbaar met een watertank op het dak die water opslaat in de buurt van uw huis; de ontkoppelingscondensator slaat energie op in de buurt van uw apparaat. Dit komt doordat bij hoogfrequente apparaten de stroomtoevoer vaak wordt vertraagd door de impedantie en inductantie in de leidingen. De ontkoppelingscondensator lost dit probleem echter op door uw apparaat van stroom te voorzien zodra dat nodig is. Daarom vindt u kleine condensatoren in de buurt van de VCC-pinnen op hoogfrequente apparaten op printplaten.

Continue stroomtoevoer naar actieve onderdelen

Zoals gezegd, wanneer u de elementen aan- of uitzet, verschijnt er timbre en kan dit via de stroomlijn gaan. Deze componenten veroorzaken ruis die zich over het bord verspreidt. Ontkoppelingscondensator levert lokale DC-stroom aan deze componenten. Het zal vervolgens de ruis die zich over het bord verspreidt, verminderen. Dit maakt het circuit stabiel door de ruis naar de grond te elimineren, zodat andere componenten niet worden gestoord door schakelhandelingen.

Spanningsveranderingen gladstrijken

Wanneer de stroom die een apparaat nodig heeft abrupt toeneemt, veroorzaakt dit een daling in de spanning van de voeding, wat kan leiden tot storingen of schade. Ontkoppelcondensatoren zijn van groot nut omdat ze energie opslaan en dus de rimpelspanning verminderen. Ze kunnen extra vermogen leveren wanneer dat nodig is om de spanning te regelen en uw apparaat optimaal te laten functioneren.

Verbeter de signaalkwaliteit

Tijdens de transmissie kunnen signalen onderhevig zijn aan ruis en interferentie, wat de informatie die erin zit verandert. Het signaal kan door uw circuit stromen zoals bedoeld door ontkoppelingscondensatoren te gebruiken om deze ruis weg te filteren. Het helpt u ook om de kans te vergroten dat u de gewenste prestaties uit uw circuit haalt, omdat de signalen die het afgeeft schoner zijn.

Eliminatie van koppeling tussen de elementen

Soms interfereren signalen van het ene component met signalen van het andere. Deze dienen als barrières tegen dit soort ruis. Uw circuit zal efficiënt werken en elk component functioneert op de juiste manier.

Type condensatoren die worden gebruikt voor ontkoppeling

Elektrolytische condensatoren

Deze condensatoren worden doorgaans gebruikt in circuits waar een grote capaciteit nodig is. Ze hebben een diëlektrische laag die is samengesteld uit metaaloxide, zoals aluminium of tantaal. Dankzij dit ontwerp zijn ze geschikt voor voedingscircuits, waar ze bijdragen aan spanningsregeling en stabiliteit van de voeding. Door hun hoge energiedichtheid worden ze gebruikt om een ​​stabiele werking van het circuit te garanderen en zijn ze onvervangbaar.

Keramische condensatoren

Deze condensatoren zijn zeer geschikt voor ontkoppeling. Ze kunnen hoge frequenties aan. Klein van formaat, hebben een lage inductie en een hoge stabiliteit. Kunnen goed functioneren bij wisselende temperaturen en spanningen. Hebben ook een lage ESR. Deze filteren ruis weg en leveren stabiele prestaties.

MLCC-oppervlaktecondensatoren

Gemaakt van keramiek en metaal en hebben veel lagen. Bekend om hun hoge betrouwbaarheid. Presteert goed bij hoge frequenties. Hebben ook een hoog vermogen. Daarom is er bij het gebruik van MLCC's een kans op scheuren, wat kan leiden tot kortsluiting of vermindering van de capaciteit. Een dergelijke storing kan zich voordoen in het hele circuit, met name bij hoge mechanische spanning. Om problemen te voorkomen is het raadzaam om MLCC's van hoge kwaliteit te gebruiken en de PCB zo te ontwerpen dat deze niet wordt belast of getrild.

Hoogfrequente condensatoren

Elimineert ongewenste signalen in uw circuit. Meestal gemaakt van keramiek . Wordt gebruikt om hoogfrequente signalen te beheersen en te verminderen die schadelijk kunnen zijn voor andere componenten op de printplaat.

Laagfrequente condensatoren

Wordt gebruikt bij het filteren van ruis in de laagfrequente signalen. Deze condensatoren, bijvoorbeeld tantaal en aluminium elektrolytische types, zijn essentieel bij het beheersen van spanningsfluctuaties. Ze functioneren als spanningsnivelleerders en ze helpen bij het filteren van ruis die schadelijk kan zijn voor uw circuit.

Tantalum condensatoren

Het beste voor lage frequentie ontkoppeling wanneer hoge capaciteit en lage equivalente serieweerstand vereist zijn. Controleborden en ingebedde elektronica zijn enkele elektronica waar u deze condensatoren kunt zien. Wordt gebruikt om de spanningstoevoer te regelen en ruis te elimineren die het circuit kan verstoren.

Aluminium condensatoren

Zeer geschikt voor laagfrequente ontkoppeling. Goedkoop en hebben een zeer hoge capaciteit. Deze condensatoren zijn verkrijgbaar in verschillende capaciteitsbereiken en worden gekenmerkt door een hoge capaciteitsdichtheid. Ze kunnen veel capaciteit opslaan in een kleine ruimte.

Filmcondensatoren

Voor hoge en lage frequentie ontkoppeling. Ze hebben echter enkele nadelen, ze zijn niet goed voor gebruik in voedingsfiltering. Dit komt omdat ze normaal gesproken gewikkeld zijn, wat inductantie toevoegt en een probleem vormt in hun vermogen om voedingsruis te filteren.

Richtlijnen voor het gebruik van ontkoppelingscondensatoren in PCB's

Ontdek de juiste technieken voor het kiezen en monteren van deze elementen voor de beste resultaten. Dit zijn tips om te volgen voor betrouwbare circuits:

Ken de soorten condensatoren die u moet gebruiken

Kies degene met een hoge capaciteit en een lage ESR.

Selecteer de juiste condensatorwaarde

Laten we eens kijken naar het aantal GND- en VCC-pinnen in combinatie met de I/O-signalen van uw circuit. U moet een condensator kiezen waarvan de zelfresonantiefrequentie zo dicht mogelijk bij het werkfrequentiebereik van het circuit ligt. De zelfresonantiefrequentie is het punt waarop de capaciteit overschakelt van condensator naar inductantie. Gebruik condensatoren van 1-100 µF voor lage frequenties. Voor het hoge frequentiegebied zijn condensatoren van 0.01-0.1 µF geschikt. Zorg er ook voor dat de gekozen condensatoren een lage ESR en een lage ESL hebben om een ​​hoog rendement te garanderen.

Bepaal de grootte van de condensator

Voor de digitale PDN's wordt voorgesteld om te identificeren waar de condensator moet worden geplaatst. De grootte wordt bepaald door de benodigde lading van de schakelende IC en de impedantie van het voedingsnetwerk. Om een ​​bepaalde spanning en stroom te behouden, hebben analoge PDN's condensatoren nodig om te laden en te ontladen. Condensatoren zijn toepasbaar in een bepaald frequentiebereik en ze gedragen zich anders met de frequentie.

Bereken de ontkoppelingscondensator

Dit zijn de twee manieren om het te berekenen:

Methode 1

Stel dat u wilt dat de condensator groot genoeg is om variatie in vermogen te kunnen verdragen. Vermenigvuldig de stroomsterkte en hoe lang u deze constant wilt houden. Op deze manier weet u welke maat u moet gebruiken. Deel dit getal vervolgens door de minimale spanning waaronder u het circuit kunt laten werken.

Methode 2

De volgende manier is om de instructies voor uw elektronica te raadplegen en de grootte van de condensator te controleren. Eerst maakt u een eenvoudige berekening die afhankelijk is van het vermogen en de snelheid van uw apparaat. Vermenigvuldig vervolgens met een factor om te factoriseren voor elke verandering die kan optreden en deel door de gebruikte vermogenspinnen. Dit geeft u de grootte van de condensator die nodig is om alles in de gaten te houden en te laten werken zoals verwacht.

Plaats de condensator dicht bij de IC

Voor de beste werking van uw elektronica moet de ontkoppelingscondensator dicht bij de IC worden geplaatst, omdat dit het onderdeel is dat stroom nodig heeft. Op deze manier kunt u de stroomsporen minimaliseren, omdat de condensator zich vlak naast de IC bevindt. Kortere sporen helpen bij het minimaliseren van de ruisinterferentie, wat altijd goed is, en de stroom is schoon.

Gebruik meerdere condensatoren

Het is aan te raden om veel ontkoppelingscondensatoren in een PCB te hebben. Dit komt omdat om frequenties uit te filteren, men condensatoren met verschillende capaciteiten in het circuit moet gebruiken. Men kan er bijvoorbeeld voor kiezen om een ​​kleine keramische condensator parallel te plaatsen met een grotere elektrolytische tantaalcondensator. Zeer effectief in het omgaan met zowel hoge als lage ruisinterferenties.

Gebruik een grondvlak

Dit helpt bij het vormen van een pad met lage impedantie naar de ontkoppelingscondensator. Gebruik deze tool vooral bij circuits die bedoeld zijn om op hoge frequenties te werken. Het gebruik van een grondvlak kan u helpen bij het uitroeien van de ruis en het verbeteren van de prestaties van uw circuit.

Plaatsingoverwegingen van ontkoppelingscondensatoren

Hieronder volgen enkele tips die u helpen bij het correct installeren van uw condensatoren:

Afstand tot bronsignaal

Plaats ze zo dicht mogelijk bij het signaal dat ze moeten ontkoppelen. De condensator moet direct op de pin van de IC worden gemonteerd. Bij ingangs- en uitgangssignalen is het beter om hem dicht bij de connector te plaatsen.

Laagfrequente transiënten elimineren

Plaats de condensatoren op een manier alsof ze de voortzetting van de sporen zijn. Het zorgt ervoor dat de laagfrequente signalen die ongewenst zijn, worden afgewezen, terwijl de signalen van gewenste hoge frequenties worden doorgelaten.

Stroompennen en aardingsplaatsing

Concentreer u op de power pins en de aardverbindingen. Om AC-ruis te verminderen en DC-stroom stabiel te maken, worden condensatoren parallel aan het signaalpad gebruikt. Deze configuratie heeft het potentieel om het beheer van de stroomstroom te vergemakkelijken en de aarding te verbeteren.

Hoogfrequente ruis filteren

Om het niveau van hoogfrequente ruis in uw PCB te verminderen, kunt u de condensatoren met weerstanden in parallelverbinding gebruiken. Deze configuratie is handig om ongewenste hoogfrequente signalen te elimineren en tegelijkertijd de laagfrequente en DC-signalen door te laten. Door condensatoren aan de zijkant van de weerstanden toe te voegen, bouwt u een filter dat ruis verwijdert en ervoor zorgt dat schone en stabiele signalen door uw circuit gaan.

Condensatoren aansluiten op via's

Wanneer u condensatoren aansluit op via's om het power plane te bereiken, pakt u de condensator en sluit u deze rechtstreeks aan op de componentpin. Plaats daarna de condensator in de via. Op deze manier wordt de stroom goed door het power plane geleid om congestie te voorkomen.

Isolatie van analoge en digitale retouren

Daarvoor is het nuttig om ontkoppelingscondensatoren te gebruiken om de massa van analoge en digitale signalen te scheiden. Monteer deze condensatoren tussen de wisselstroommassa en de digitale massa op dezelfde laag van de printplaat . Dit ontwerp zorgt ervoor dat de analoge en digitale signalen elkaar niet storen, waardoor ruisinterferentie wordt verminderd.

Goede aardingspraktijken

Om een ​​goede ontkoppeling te bereiken op borden met meerdere signalen, is het nodig om goede aardingstechnieken te gebruiken. Daarnaast is het raadzaam om ervoor te zorgen dat condensatoren op de juiste manier worden geplaatst; het aardingssysteem is goed uitgevoerd. Het voorkomt ook dat ruis uw ontkoppelingscondensatoren beïnvloedt om ervoor te zorgen dat ze op een stabiele manier vermogen leveren. Dit betekent dat de aardingsvlakken goed zijn aangesloten en dat sommige aardingsproblemen worden voorkomen die kunnen leiden tot een slecht signaal.

BGA's en Dogbone Routing

Bij het werken met IC's met een Ball Grid Array (BGA) zijn extra voorzorgsmaatregelen nodig bij de plaatsing ervan. Een ander aandachtspunt is het gebruik van microvias om kortsluitingen te creëren tussen voedings- en massavlakken die zich in de directe omgeving bevinden. Deze methode maakt het eenvoudig om een ​​goede verbinding te realiseren, omdat de verbinding goed beveiligd is. Dogbone-routing kan ook worden gebruikt om signalen om het BGA-gebied heen te leiden.

Factoren die PCB-ontkoppelingscondensatoren beïnvloeden

Daarom zijn er enkele factoren die de effectiviteit van de PCB-ontkoppelingscondensatoren bepalen. We zullen ook kijken naar verschillende plaatsingsstrategieën en routeringstechnieken en hun implicaties voor de prestaties.

Afmetingen

De grootte van de condensatoren bepaalt de hoeveelheid capaciteitswaarde die u moet gebruiken en waar u de condensator in uw ontwerp kunt integreren. Het is ook belangrijk dat u een condensator selecteert die voldoet aan de gegeven prestatieparameters die u hebt ingesteld, maar tegelijkertijd het PCB-gebied niet rommelig maakt.

Frequentierespons

Dit is hoe goed de condensator is in het verwerken van verschillende signaalsnelheden en hoe goed hij ruissignalen kan voorkomen. Keramische condensatoren zijn goed voor het filteren van hoogfrequente ruis. Tantaal- en elektrolytische condensatoren zijn geschikter voor het filteren van laagfrequente ruis, omdat hun effectieve bandbreedte in de praktijk beperkter is.

Capaciteitswaarde

Dit definieert de hoeveelheid energie die de condensator kan opslaan of leveren aan het circuit. Dat is wat u moet selecteren, de capaciteitswaarde die geschikt is voor uw circuit. Als de capaciteit van de condensator laag is, is de condensator niet in staat om de circuits effectief te filteren. Als deze te hoog is, kan dit ertoe leiden dat het laden en ontladen erg traag verloopt en kan dit ook de werking van het circuit beïnvloeden.

ESR

Alle eerder genoemde parameters worden op de een of andere manier beïnvloed door ESR. Tantaalcondensatoren hebben een lage ESR; dat is goed voor analoge circuits omdat stabiliteit in analoge circuits een must is. Ondanks het feit dat keramische condensatoren een hogere ESR hebben, hebben ze de voorkeur voor digitale hoogfrequente circuits.

Voltage Rating

Deze waarde toont de maximale spanning die over de condensator kan worden toegepast, waarbij de condensator op geen enkele manier beschadigd raakt. Als de spanningsclassificatie laag is, kan de condensator kapotgaan. Gebruik van hogere spanningsclassificaties leidt tot hogere lekstromen. Kan ook een lichte variatie in capaciteit veroorzaken.

Temperatuurbeoordeling

Dit zijn de cijfers die aangeven hoeveel temperatuur de condensator kan verdragen. Er moet ook op worden gelet dat dit bereik overeenkomt met de temperatuuromstandigheden van de PCB. Als de temperatuur de aanbevolen limiet voor de condensator overschrijdt, functioneert deze mogelijk niet goed of helemaal niet.

Ontkoppeling vs Bypass Condensator

Deze twee condensatoren worden voornamelijk gebruikt voor de rol van het filteren van de ingangssignalen, waarbij alleen de ruisvrije signalen mogen passeren. Ze bieden een pad met lage impedantie naar de grond voor deze hoogfrequente stromen. Ontkoppeling betekent het regelen van de spanningsvariaties. De voeding zal geen enkel ander signaal verstoren. Het wordt gebruikt bij het regelen van de stroomstroom, zodat ze energie in een constante hoeveelheid vasthouden en vrijgeven. Bypasscondensatoren bestrijden ruis, terwijl ontkoppelingscondensatoren tegen spanning vechten. Gebruik beide typen in uw ontwerp.

Nog een paar vragen over ontkoppelingscondensatoren

De bovenstaande punten zijn enkele onderwerpen die u kunt bespreken, maar u kunt na elk onderwerp nog vragen hebben. Laten we enkele vragen bespreken die u waarschijnlijk tegenkomt met betrekking tot ontkoppelcondensatoren.

Waarom twee ontkoppelingscondensatoren gebruiken?

Twee ontkoppelingscondensatoren helpen bij het verbeteren van PCB. De grotere condensator staat bekend als een "bank" of een "bulk" condensator en is nuttig bij het omgaan met spanningstransiënten en de plotselinge piek in vermogen. Aan de andere kant pakt de kleinere 'bypass' condensator hoogfrequente ruis aan en zorgt ervoor dat deze niet bij uw IC terechtkomt. Door deze condensatoren samen te plaatsen, combineert u hun sterke punten: de grote condensator levert de stroom en de kleine blokkeert de ruis. Deze configuratie minimaliseert ook schakeltransiënten en verbetert de isolatie van het circuit.

Wat gebeurt er als een ontkoppelingscondensator kapotgaat?

Wanneer een ontkoppelingscondensator in slechte staat verkeert, kunt u de volgende uitdagingen in uw circuit tegenkomen. Het kan kortsluitingen in het circuit veroorzaken. Kan leiden tot oververhitting van het circuit en zelfs tot verbranding van het bord. In zeldzame gevallen kan een condensator kapotgaan en scheuren op de bordlagen veroorzaken door de scheuren.

Moet ik een ontkoppelingscondensator gebruiken voor een IC?

Ja! Je moet een ontkoppelingscondensator gebruiken op elke IC. Eén condensator moet in de PCB zitten. Meestal een 0.1 µF. Biedt de mogelijkheid om spanningspieken te absorberen door stroom te leveren tijdens het schakelen van de IC. Probeer nog grotere condensatoren te gebruiken, 1 µF of 10 µF. De ontkoppelingscondensatoren helpen bij het leveren van een gereguleerde spanning en filteren tegelijkertijd ruisspanning die de werking van de IC kan beïnvloeden. In ieder geval wordt aangeraden om het datasheet te bekijken, maar het is mogelijk om minstens één condensator te gebruiken zonder problemen.

Waar moeten ontkoppelingscondensatoren worden geplaatst voor signaal- en vermogensintegriteit?

Sluit de condensator aan tussen de voedingspinnen en de massa en observeer de capaciteit van de condensator. Om hoogfrequente elektromagnetische interferentie (EMI) te minimaliseren, moet de condensator in serie met een weerstand worden aangesloten . Voor optimale prestaties moet de condensator zo dicht mogelijk bij de signaalbron worden geplaatst. Voor I/O-signaalsporen moeten we de condensator in serie schakelen. Het is noodzakelijk om deze in dezelfde laag te plaatsen als de digitale en analoge massa-aansluitingen voor het beste resultaat.

Conclusie

Daarom hebben we in dit artikel besproken wat ontkoppelingscondensator is, waar en hoe je deze implementeert voor de beste signaal- en vermogensintegriteit. Enkele onderwerpen die werden besproken, zijn de condensatorparameters, waaronder capaciteitswaarde, ESR en temperatuur, en enkele kwesties zoals het falen van condensatoren en het gebruik van meerdere condensatoren in circuits.