Rys.2. Przykład zmierzonej
impedancji (na niebiesko) i fazy
rzeczywistego kondensatora SMD
i symulowanej impedancji (na czerwono)
prostego modelu obwodu RLC. Różnica
w zmierzonej i symulowanej fazie wskazuje
na zachowanie ESR w prawdziwym
kondensatorze, które nie zostało
uwzględnione w prostym modelu RLC.
Niestety, wraz z zmianami wytycznych projektowych, pewne z nich – na ogół te najmocniej zakorzenione w świadomości elektroników – pozostają w użyciu i formują pewne mity. Jednym z takich mitów jest ten, mówiący, że do filtrowania linii zasilającej dla układów scalonych itp. stosować należy trzy połączone ze sobą kondensatory o różnej pojemności. W poniższym artykule (i kolejnych jego częściach) przyjrzymy się, czy istotnie nadal tak jest, czy jest to obecnie przestarzały mit.
Kondensatory wysokiej częstotliwości
Ideowy, równoważny model obwodu elektrycznego rzeczywistego kondensatora jest dobrze opisywany poprzez prosty szeregowy obwód RLC, gdy indukcyjność montażowa jest większa niż około 1 nH. Gdy jest ona poniżej 1 nH, pojawiają się w układzie nowe efekty, a model korzystający z linii transmisyjnej dla prawdziwego kondensatora jest lepiej dopasowany do rzeczywistości.
Prosty model RLC ma zastosowanie do większości generacji kondensatorów. Przykład zmierzonej impedancji rzeczywistego kondensatora SMD typu MLCC i symulowanej impedancji idealnego obwodu szeregowego RLC dla tego elementu pokazano na rysunku 2.
Rys.3. Przykłady kondensatorów
elektrolitycznych i ceramicznych.
Mniejsze fizycznie elementy mają
mniejszą pojemność, mniejszy ESL
i większy ESR.
Idealne C odpowiada impedancji przy niskiej częstotliwości. R jest często określany jako równoważna rezystancja szeregowa (ESR). Wynika ona z oporu rzeczywistych wyprowadzeń kondensatora, metalizacji płytek oraz, w mniejszym stopniu, z innych mechanizmów powstawania strat w kondensatorze. L z kolei jest określany jako równoważna indukcyjność szeregowa (ESL). Wynika ona przede wszystkim z wewnętrznej struktury kondensatora i jego dołączenia do układu – ścieżki masy i zasilania, doprowadzone do pinów tego elementu, mają największy wpływ na równoważną indukcyjność szeregową elementu.
W czasach, gdy królowały kondensatorów przewlekane, czyli w epoce, która zaczęła się ponad 50 lat temu, dwie powszechnie stosowane technologie produkcji kondensatorów to elementy elektrolityczne i ceramiczne. Przykłady tych elementów pokazano na rysunku 3.
Zarówno w przypadku kondensatora elektrolitycznego, jak i kondensatora ceramicznego, istnieje bezpośrednie połączenie między ilością pojemności, którą można zawrzeć w kondensatorze, a jego fizycznym rozmiarem i długością wyprowadzeń. Pojemność o większej wartości oznacza kondensator o większym rozmiarze fizycznym.
Ponieważ ESL zależy również od fizycznego rozmiaru kondensatora i długości jego wyprowadzeń, zazwyczaj kondensatory o większej pojemności mają również większy ESL. Na przykład kondensator elektrolityczny o pojemności 47 µF może mieć ESL wynoszący aż 30 nH, podczas gdy mały kondensator ceramiczny o pojemności 100 nF może mieć ESL na poziomie 7 nH.
ESR różni się w zależności od zarówno technologii wykonania, jak i wielkości kondensatorów. Kondensator elektrolityczny może mieć ESR wynoszący od 0,1 do 5 Ω. Kondensatory o mniejszych rozmiarach mają na ogół wyższy ESR. Kondensator ceramiczny może mieć wartość ESR rzędu od 0,1 do 1 Ω.
Rys.4. Symulowany profil impedancji
trzech kondensatorów. Najmniejsza
wartość zapewnia niską impedancję
przy wysokiej częstotliwości.
| Parametr | Kondensator 1 | Kondnsator 2 | Kondensator 3 | Pojemność - C | 10 µF | 1 µF | 100 nF | Równoległa indukcyjność zastępcza - ESL | 30 nH | 15 nH | 7 nH | Równoległą rezystancja zastępcza - ESR | 1 Ω | 0,1 Ω | 1 Ω |
W przypadku kondensatorów do montażu przewlekanego, wyposażonych w drutowe wyprowadzenia, zwykle poprawnym założeniem jest to, że kondensatory o mniejszej wartości mają mniejsze rozmiary i mogą być montowane przy niższej indukcyjności połączeń. Oznacza to, że będą one miały niższą impedancję przy wyższej częstotliwości. Szukając kondensatora THT o niskiej impedancji przy wysokiej częstotliwości, wybrać należy kondensator o małej wartości pojemności i niewielkim rozmiarze.
Rys.5. Kondensatory MLCC
w obudowach 1206 (u góry)
i kondensatory ceramiczne THT
o tej samej wartości.
Rys.7. Przykład typowego obwodu
odsprzęgającej z trzema kondensatorami
o różnej wartości i pojedynczym
kondensatorem o małej wartości.
Jeśli istotne jest uzyskanie najniższej impedancji przy niskiej częstotliwości, a także najniższej impedancji przy wysokiej częstotliwości, powszechną praktyką jest do dzisiaj umieszczanie dwóch lub trzech kondensatorów równolegle. Kondensator o dużej wartości zapewnia niską impedancję przy niskiej częstotliwości, a kondensator o małej wartości pojemności, z niższym ESL, zapewniają niską impedancję przy wysokiej częstotliwości. Kombinacja równoległa tych elementów posiada najlepsze cechy wszystkich elementów.
Kondensatory MLCC i mit kondensatorów wysokiej częstotliwości
Kiedy przechodzimy jednakże do kondensatorów do montażu powierzchniowego (MLCC), właściwości kondensatorów mocno różnią się, względem elementów wyposażonych w normalne wyprowadzenia (THT). Na rysunku 5 pokazano przykłady kondensatorów MLCC w obudowie 1206 o wartościach pojemności takich samych jak pokazane na rysunku kondensatory ceramiczne. Widzimy istotną różnicę ich wielkości.
Rys.6. Przykład zmierzonego profilu
impedancji kondensatora MLCC 1 µF
na płytce drukowanej z 0,620 nH ESL.
Pokazuje to również potrzebę
wykorzystania modelu drugiego rzędu,
gdy indukcyjność pasożytnicza na PCB
jest mniejsza niż 1 nH.
(Pomiar dzięki uprzejmości Picotest)
W rzeczywistości, stosując elementy MLCC o niskiej indukcyjności (ESL) można zaprojektować układ tak, aby wypadkowa indukcyjność wynosiła mniej niż 1 nH, nawet na dwuwarstwowej płytce drukowanej. Przykład zmierzonego profilu impedancji kondensatora MLCC (ESL = 0,62 nH) o pojemności 1 µF na dwuwarstwowej płytce o grubości 63 mil pokazano na rysunku 6.
Kondensator MLCC o pojemności 10 µF czy 100 nF będzie miał dokładnie taką samą impedancję przy wysokiej częstotliwości. Mniejszy kondensator o mniejszej wartości pojemności nie jest już kondensatorem „wysokiej częstotliwości”. W rzeczywistości kondensator MLCC 10 µF będzie równie dobrze kondensatorem „wysokiej częstotliwości” jak element o pojemności 100 nF.
Jeśli niskie ESL ma istotną wartość w danym projekcie, zawsze należy stosować kondensatory MLCC. Nawet kondensator MLCC 10 µF może mieć mniej niż 10 procent ESL kondensatora ceramicznego THT i impedancję elementu „wysokiej częstotliwości”.
W starszych produktach, gdzie stosowano kondensatory do montażu przewlekanego, pojemność o mniejszej wartości miała niższy ESL i niższą impedancję przy wyższej częstotliwości. Kiedy na płytce drukowanej było miejsce tylko na jeden kondensator na pinie zasilającym, a prąd przejściowy tego pinu był niewielki, określono pojedynczy kondensator „wysokiej częstotliwości” o niskiej indukcyjności. Jest to pojemność o niskiej wartości, zwykle stosowano tutaj kondensator 100 nF.
Jeżeli miejsce pozwalało na montaż trzech kondensatorów, zazwyczaj określano zakres trzech wartości kondensatorów. Zapewniało to niższą impedancję tak przy wysokiej, jak i niskiej częstotliwości niż pojedynczy kondensator. Rysunek 7 jest przykładem typowego schematu pokazującego tego rodzaju rozwiązanie. Ten przykładowy schemat nie został jednakże zaczerpnięty ze starej konstrukcji wykorzystującej części THT i kondensatory ceramiczne, ale z płytki uruchomieniowej dla mikrokontrolera z rdzeniem ARM Cortex-M4 o częstotliwości taktowania 120 MHz, zaprojektowanej i zmontowanej z kondensatorami MLCC.
Mit kondensatora wysokiej częstotliwości został przeniesiony do tego projektu, podobnie jak w wielu innych, które wciąż posiadają kondensatory o małej pojemności, połączone równolegle z dwoma innymi o większej pojemności. Mitem jest tutaj potrzeba stosowania „kondensatora wysokiej częstotliwości” i konieczność zastosowania trzech różnych wartości kondensatorów do filtrowania linii zasilania.
Źródło: https://www.signalintegrityjournal.com/articles/1589-the-myth-of-three-capacitor-values
Fajne? Ranking DIY
