Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAOIGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 2

ghost666 13 Maj 2020 21:11 1848 8
  • Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 2
    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.
    Dzięki nowej technologii udało się zmienić wiele w zakresie projektowania urządzeń elektronicznych. Wraz z postępem technologii zmieniło się wiele w zakresie projektowania płytek drukowanych czy sieci zasilających w urządzeniach elektronicznych.

    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.

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 2
    Rys.3. Przykłady kondensatorów
    elektrolitycznych i ceramicznych.
    Mniejsze fizycznie elementy mają
    mniejszą pojemność, mniejszy ESL
    i większy ESR.
    Szeregowy model obwodu RLC jest najprostszym modelem, który ogólnie stosuje się w całym zakresie technologii kondensatorów: elektrolitycznych, tantalowych, ceramicznych, MLCC, zarówno do montażu przewlekanego, jak i powierzchniowego. Jest to tylko model pierwszego rzędu i wiele rzeczywistych kondensatorów można znacznie lepiej opisać, korzystając z szeregu modeli drugiego rzędu. Jednakże ten najprostszy model RLC pozwala w prosty sposób opisać trzy ważne w charakteryzacji kondensatorów parametry.

    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.

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 2
    Rys.4. Symulowany profil impedancji
    trzech kondensatorów. Najmniejsza
    wartość zapewnia niską impedancję
    przy wysokiej częstotliwości.
    Połączenie między wartością pojemności a ESL dramatycznie wpływa na profil impedancji kondensatora o dużej i małej wartości. Przy niskiej częstotliwości impedancja rzeczywistego kondensatora jest zbliżona do jego pojemności. Przy wysokiej częstotliwości impedancja rzeczywistego kondensatora jest zbliżona do jego indukcyjności. Rysunek 4 pokazuje przykład trzech różnych kondensatorów o trzech różnych profilach impedancji. Wartościami składowymi ich modelu pierwszego rzędu mogą być:

    ParametrKondensator 1Kondnsator 2Kondensator 3
    Pojemność - C10 µF1 µF100 nF
    Równoległa indukcyjność zastępcza - ESL30 nH15 nH7 nH
    Równoległą rezystancja zastępcza - ESR1 Ω0,1 Ω1 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.

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 2
    Rys.5. Kondensatory MLCC
    w obudowach 1206 (u góry)
    i kondensatory ceramiczne THT
    o tej samej wartości.
    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 2
    Rys.7. Przykład typowego obwodu
    odsprzęgającej z trzema kondensatorami
    o różnej wartości i pojedynczym
    kondensatorem o małej wartości.
    Właśnie dlatego kondensatory o małej wartości są często nazywane kondensatorami „wysokiej częstotliwości”. Ze względu na krótsze przewody, jeśli są zamontowane na płytce drukowanej przy niskiej indukcyjności pętli, oferują najniższą impedancję przy wysokiej częstotliwości.

    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.

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 2
    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)
    Często zakres wartości pojemności, jaki można uzyskać przy dokładnie tej samej wielkości obudowy jest dla elementów MLCC znacznie większy niż dla kondensatorów ceramicznych. Równie łatwo jest mieć 10 µF w obudowie 0402, jak 10 nF. Oznacza to, że ESL kondensatora MLCC, jest takie samo dla elementów o różnej pojemności i jest jedynie zależne od projektu ścieżek na płytce drukowanej i padów montażowych.

    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
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9757 postów o ocenie 7934, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • #2
    Ch.M.
    Poziom 27  
    Witam,
    nie wiem czy to jest błędne tłumaczenie czy "tylko" pomyłka merytoryczna.
    1. Opis pod Rysunkiem 4 sugeruje zupełnie co innego niż wykresy tegoż to rysunku... Najlepsze jest połączenie równoległe tych 3 pojemności. Uwaga, dotyczy to tylko elementów THT, natomiast na Rysunku 8 (którego Pan zapomniał umieścić) widać, że najlepsze połączenie przy elementach SMT zapewniają 3 duże pojemności...
    2. Sformułowanie odnośnie pojemności 10uF i obudowy 0402 jest mylące:
    - owszem występują takowe do 10V ale tylko X5R a chyba chcemy jak najniższy ESR w jak najszerszym paśmie częstotliwości i temperatur
    - zmniejszanie gabarytów zawsze zwiększa ESR więc miniaturyzacja w przypadku zapewniania niskiego ESR nie idzie w parze.
    - koszt jest podobny jak 0805 czy 1206, a parametry dużo gorsze więc nie zgodzę się z twierdzeniem:
    "Równie łatwo jest mieć 10 µF w obudowie 0402, jak 10 nF."
    3. Rysunek 7 z kolei to przykład jak nie "cytować" schematów. Pokazujemy albo w całości fragment zasilania albo wogóle. Dlaczemu? Bo nie wiadomo, czy te 3 pojemności fizycznie nie są przy kolejnych pinach procesora/innych elementach.
    Pozdrawiam
    P.S. Jak można nazwać zmienianie sensu artykułu pisząc własne i do tego błędne podsumowanie oraz wstawki ?
    Autor podsumował artykuł wpisem "With through hole capacitors, using three different capacitor values has a performance advantage."

    Osobiście dodałbym, że część artykułu poświęcona SMT nie ma sensu bez podawania ich obudowy i klasy oraz napięcia. Większe obudowy mają przewagę nad mniejszymi przy zachowaniu tej samej klasy elementów. Z kolei kondensator 10uF/4V/0603/X5R jest gorszym wyborem niż 10uF/16V/0603/X5R zakładając napięcie pracy 3V3. Osobiście użyłbym X7R w obudowie minimum 0805.
  • #3
    krzysiek_krm
    Poziom 38  
    Ch.M. napisał:
    Opis pod Rysunkiem 4 sugeruje zupełnie co innego niż wykresy tegoż to rysunku...

    Moim zdaniem jest w porządku, dlaczego uważasz, że źle ?
    Ch.M. napisał:
    odnośnie pojemności 10uF i obudowy 0402

    Problemem jest dielektryk, takie kondensatory mają ogromny wpływ napięcia polaryzującego na aktualną pojemność, niestety,
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • #4
    Ch.M.
    Poziom 27  
    Linia zielona sugeruje, że połączenie równoległe jest najlepsze.
  • #5
    krzysiek_krm
    Poziom 38  
    Ch.M. napisał:
    Linia zielona sugeruje, że połączenie równoległe jest najlepsze.

    Bo jest.
  • #6
    Ch.M.
    Poziom 27  
    Skoreluj to z tytułem artykułu. Cały artykuł jest merytorycznie niespójny z przestawionymi argumentami. Wynika to także z dodania własnych przemyśleń przez tłumacza. Jakiś czas zastanawiałem się, czy autor nie ironizował nieco tytułem względem treści chcąc wywołać jakieś reakcje.
  • #7
    krzysiek_krm
    Poziom 38  
    Ch.M. napisał:
    Skoreluj to z tytułem artykułu. Cały artykuł jest merytorycznie niespójny z przestawionymi argumentami. Wynika to także z dodania własnych przemyśleń przez tłumacza. Jakiś czas zastanawiałem się, czy autor nie ironizował nieco tytułem względem treści chcąc wywołać jakieś reakcje.

    W podpisie pod wspomnianym przez Ciebie rysunkiem nie ma nic nieprawdziwego.
    Tytuł artykułu może być prawdziwy (albo nie) w zależności od tego jak bardzo współczesną technikę planujemy zastosować w projektowanym urządzeniu.
  • #8
    Ch.M.
    Poziom 27  
    W podpisie jest sugestia. Tytuł można interpretować jako sugestię lub lub tezę. Generalnie jak pisałem powyżej dla mnie całość jest niespójna z wyżej wymienionych powodów. Merytorycznie to tak jakby komuś powiedzieć, że ciastko A jest lepsze... ale zapomnieć dodać, że w pewnych warunkach nie ma smaku, albo jest gorsze od ciastka B.
    To oczywiście tylko moja prywatna opinia.