Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
TermopastyTermopasty
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 3

ghost666 15 Maj 2020 20:37 1593 5
  • W poprzednich dwóch częściach artykułu (Część 1, Część 2) opisaliśmy „mit trzech kondensatorów” czy też „mit kondensatora wysokiej częstotliwości”. To, co obecnie znajduje się w wytycznych projektowych układów elektronicznych, często jest naleciałością z minionych epok, gdy technologia produkcji i montażu elementów i PCB była inna – podobnie jest też w tym przypadku. Porównajmy zatem różne podejścia do projektowania układów odsprzęgających zasilanie.

    Co lepsze?

    Co jest zatem lepsze w filtrowaniu zasilania: trzy równolegle połączone ze sobą kondensatory o pojemności o rząd wielkości od siebie mniejszej czy też trzy takie same elementy połączone w analogiczny sposób? Tylko analiza na poziomie systemu, z dokładnymi modelami wszystkich elementów w układzie, ma szansę odpowiedzieć na to pytanie.

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 3
    Rys.8. Symulowane profile impedancji
    trzech różnych kondensatorów THT
    (fioletowa krzywa), trzech różnych
    Kondensatorów MLCC (niebieska krzywa)
    i trzech identycznych kondensatorów
    MLCC (czerwona krzywa).
    Jeśli zaleceniem w specyfikacji projektowej danego układu jest zastosowanie trzech kondensatorów o różnych wartościach pojemności, są duże szanse, że inżynier, który ją napisał, nigdy nie przeprowadził żadnej analizy działania tych elementów i nadal stosuje stare, ponad 50-letnie wytyczne projektowe oparte na micie o „kondensatorze wysokiej częstotliwości”. Uzasadnienie tego zalecenia zniknęło wraz z wprowadzeniem kondensatorów MLCC i montaż SMD ok. 20 lat temu. W takiej sytuacji warto sięgnąć po projekt i narzędzia PDN (and. Power Delivery Network – zbiorcza nazwa projektu i analiz sekcji dostarczającej zasilanie do poszczególnych urządzeń na płytce drukowanej – przyp. red.). W przedstawionej powyżej sytuacji, prawdopodobnie nie ma znaczenia, z jakich wytycznych finalnie skorzystamy, projektując urządzenie. Produkt może działać pomimo wybranych wartości kondensatora, ale prawdopodobnie nie dzięki nim.

    Kiedy trzy kondensatory o różnych wartościach z tym samym ESL są połączone równolegle, generowane są dwa równoległe piki rezonansu pomiędzy ich częstotliwościami rezonansowymi. Szczytowe wartości impedancji odnoszą się do pojemności i indukcyjności sąsiednich kondensatorów oraz ESR tych elementów.

    Rysunek 8 pokazuje symulowany profil impedancji trzech różnych kombinacji trzech kondensatorów. Pierwsza kombinacja to zalecany układ 10 µF, 1 µF i 100 nF, ale złożony z elementów lutowanych w technologii przewlekanej (THT). Druga symulacja to ta sama kombinacja, ale zaimplementowana w technologii kondensatorów MLCC do montażu powierzchniowego (SMD). Trzecia symulacja to kombinacja takich samych kondensatorów 10 µF MLCC w technologii SMD. ESL kondensatorów MLCC założono jako równe 1 nH.

    Przeprowadzona symulacja wykazała, że trzy połączone ze sobą kondensatory o tej samej, wysokiej pojemności, mogą zapewnić istotnie niższą impedancję w widmie niż trzy kondensatory o różnych wartościach (i dodatkowo, bez równoległych pików rezonansowych przy częstotliwościach pośrednich). Nie znaczy to jednakże, że jest to bardziej niezawodne rozwiązanie.

    Ostatni projekt mógł poprawnie działać, niezależnie od elementów filtrujących zasilanie, ale inżynier elektronik, projektujący go, mógł po prostu nie mieć pojęcia, jak dobrze zaprojektowana jest sama sieć zasilania układów etc. Dodatkowo, często rozmaite sytuacje, jakie mają wpływ na stabilność działania systemu zasilania obwodu, są trudne lub wręcz niemożliwe do odtworzenia w warunkach warsztatowych. Problemy z sekcją zasilającą mogą być powodowane nadmiernym szumem przełączania systemu np. przy odpowiedniej zbieżności wzorców przetwarzanych danych z częstotliwością kluczowania zasilacza i częstotliwościami, dla których system posiada wyjątkowo dużą impedancję elementów filtrujących zasilanie. Taka rezonansowa sytuacja jest ciężka w wykryciu, nawet w gotowym systemie.

    Jaki zatem należy wyciągnąć wniosek z tych rozważań? Nie należy wahać się myśleć o konieczności dodawania trzech różnych wartości kondensatorów jako o micie. Należy kwestionować tą strategię, które zapewnić doskonałej jakości zasilanie dla naszego układu. Bez analizy na poziomie systemu oba rozwiązania mogą być jednakowo akceptowalne, mieć jednakowo marginalne znaczenie lub tak samo zawodzić z powodu błędów konstrukcyjnych. Każdy przypadek wymaga niezależnej analizy działania systemu i przeprowadzenia symulacji PDN.

    Jakość rozwiązania a testy

    Jeśli nie zamierzamy przeprowadzać własnej analizy na poziomie systemu, należy zaplanować wdrożenie szczegółowego planu testów prototypowego układu, aby znaleźć słabe ogniwa w sieci zasilania i przetestować jakość całego rozwiązania zasilającego.

    Częścią dokładnego planu testów jest zaprojektowanie testu sieci zasilania. Im lepiej potrafimy scharakteryzować szum zasilania (nie tylko na poziomie płytki drukowanej, ale także na poziomie nóżek konkretnych układów) wykorzystując do tego czułe linie pomiarowe, tym lepiej jesteśmy w stanie porównać jedną strategię odsprzęgania od drugiej. Rysunek 9 jest przykładem zmierzonego szumu napięcia na szynie zasilania układu i na poziomie całej płytki, gdy przełączana jest linia I/O. Szum napięciowy na poziomie układu wynosi od 600 mV (napięcia międzyszczytowego) na szynie zasilania 5 V. Szum napięcia na poziomie całej płytki wynosi tylko 75 mV międzyszczytowo.

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 3
    Rys.9 Zmierzony szum napięcia na tej samej szynie zasilającej w układzie,
    mierzony linią pomiarową, i na płytce drukowanej, oba oscylogramy w tej samej skali (200 mV/dz).


    Niezależnie od konkretnej aplikacji indukcyjność padów montażowych etc. ma zawsze jakąś niezerową wartość. Dlatego kondensatory odsprzęgające MLCC powinny zawsze być drugimi elementami umieszczonymi na płytce podczas projektowania PCB, zaraz po samych elementach. W ten sposób możliwe jest zagwarantowane prowadzenie ścieżek do kondensatorów, zapewniając możliwie najniższą indukcyjność montażową.

    Jeśli na pinie ma znaleźć się tylko jeden kondensator filtrujący, co jest powszechną praktyką w wielu aplikacjach niskoprądowych, należy zawsze stosować najwyższą dopuszczalną pojemność dla najmniejszej praktycznie wykorzystywalnej wielkości obudowy dla danego napięcia znamionowego. Bez analizy na poziomie systemu nadal nie jest to gwarancja solidnego produktu i niezbędny jest dokładny plan testów na etapie prototypu.

    Jakość projektowania: odpowiednia strategia kondensatorów odsprzęgających

    Zastosowanie trzech różnych wartości kondensatorów odsprzęgających opiera się na przestarzałym założeniu, że kondensatory o małej wartości są kondensatorami „wysokiej częstotliwości”. W erze kondensatorów MLCC do montażu powierzchniowego, gdzie to założenie nie jest już prawdziwe, jaka jest najlepsza rekomendacja? Niestety odpowiedź brzmi, jak zawsze: „to zależy”. Istnieją jednak ogólne wytyczne projektowe, które będą miały zastosowanie do większości systemów.

    Celem każdego systemu zasilania w urządzeniu elektronicznym jest zapewnienie stabilnego napięcia stałego dla tych komponentów, które go potrzebują, z akceptowalnym poziomem szumu w danej aplikacji. Kondensatory MLCC, stosowane do odsprzęgania zasilania, są tylko częścią dobrej strategii projektowania systemu zasilania.

    Jedną z podstawowych zasad przy projektowaniu systemu zasilania jest utrzymanie odpowiedniego widma impedancji, jaki widać z punktu układu scalonego. Najlepiej jest, aby widmo to było płaskie i by impedancja była akceptowalnie niska. Oznacza to redukcję równoległych pików rezonansu, na ogół poprzez dodanie większej pojemności, zmniejszenie indukcyjności pętli i wyprofilowanie widma impedancji przez zastosowanie różnych wartości kondensatora lub poprzez kontrolowanie ESR (co zmniejszy współczynnik dobroci tych pików).

    Czasami przekłada się to na zapewnienie wystarczającej pojemności zbiorczej tak, że szczytowy VRM kondensatora jest zmniejszony. Przy wysokich częstotliwościach płaski profil impedancji na poziomie płytki pozwoli wytłumić górkę impedancji tworzoną przez pojemność wewnętrzną samego układu i niezerową rezystancję jego wyprowadzeń i ich indukcyjność.

    Wybór wartości kondensatora do filtrowania zasilania wymaga analizy na poziomie systemu, w tym analizę napięć w systemie dokładnie na nóżkach elementów pobierających prąd z układu. Podczas projektowania wszystkich elementów montażowych w celu zmniejszenia indukcyjności padów kondensatorów tak bardzo, jak to praktycznie możliwe, zawsze warto korzystać z symulatorów 3D i narzędzi do modelowania w celu opracowania dokładnych modeli pojedynczych elementów systemu zasilającego. Pozwoli to na przeprowadzenie precyzyjnej, systemowej analizy całego układu.

    Dokładny model sekcji stabilizacji napięcia i pojemności oraz indukcyjności każdej szyny zasilania, a także modele wszystkich nóżek elementów pozwolą nam na przeprowadzenie dokładnej i wiarygodnej analizy zasilania w układzie.

    Jeśli w zasilanym układzie znajduje się sporo dodatkowych kondensatorów odsprzęgających, to ważniejsze są właściwości filtrujące kondensatorów przy niskich częstotliwościach. Kiedy dominuje pojemność samego zasilanego układu i indukcyjność jego wyprowadzeń, tworzenie dużej góry w widmie impedancji z ich równoległego rezonansu, jest zjawiskiem, na które musimy uważać i mu przeciwdziałać, stosując kondensatory zapewniające płaskie widmo impedancji w zakresie wysokich częstotliwości. Niestety, żadna kombinacja tylko trzech wartości kondensatorów oprócz użycia kontrolowanych kondensatorów ESR nie zapewni odpowiedniego tłumienia impedancji na poziomie płyty dla górki w zakresie wysokich częstotliwości.

    To tylko rzut oka na niektóre z sił stojących za projektowaniem tego rodzaju systemu. Wymienione powyżej elementy to tylko podstawowa część zasad, która rządzi projektowaniem zoptymalizowanych strategii odsprzęgania układów elektronicznych. Oczywiście, jak zawsze pierwszym krokiem jest zidentyfikowanie problemu. Drugim krokiem jest zidentyfikowanie pierwotnej przyczyny problemu, a trzecim krokiem jest określenie ogólnej strategii przeciwdziałania mu, poprzez ograniczenie szumu czy tętnień zasilania. Każde z tych działań na swoje strategie, których tylko częścią jest stosowanie odpowiednich kondensatorów filtrujących.

    W urządzeniach elektronicznych o różnym zastosowaniu docelowe impedancje sieci zasilających rozciągają się na ponad sześć rzędów wielkości – od ok 10 Ω w wielu aplikacjach IoT do mniej niż 10 µΩ w produktach wykorzystujących duże procesory czy elektronice mocy. Nie ma jednej, odpowiedniej dla każdego zastosowania strategii – jest ich wiele, ale to już historia na zupełnie inny artykuł.

    Podsumowanie

    Pochodzenie mitu o zastosowaniu trzech różnych wartości kondensatorów wywodzi się z czasów popularnego stosowania elementów przewlekanych. Kondensatory o mniejszej wartości pojemności zwykle miały niższą ESL i niższą impedancję przy wysokiej częstotliwości. W przypadku kondensatorów THT zastosowanie trzech różnych wartości kondensatorów ma istotną przewagę jednak w przypadku kondensatorów MLCC do montażu SMD, jakie używane są od ponad 20 lat, te stare wytyczne projektowe nie mają już zastosowania.

    Gdy w projekcie zastajemy trzy kondensatory filtrujące zasilanie o pojemnościach różniących się o rząd wielkości lub pojedynczy element o wysokiej pojemności, prawdopodobnie nie zastosowano żadnej bardziej rozbudowanej analizy systemu. Zamiast tego stosuje się to, co zadziałało w poprzednim projekcie. W ten sposób propaguje się mity oparte na przestarzałej tezie. Praktyka wskazuje, że pomimo użycia trzech różnych wartości pojemności układy i tak działają, a są szanse, że działałyby równie dobrze, wykorzystując wszystkie trzy elementy o tej samej wartości lub nawet pojedynczy element… z drugiej strony, trzy kondensatory o różniącej się pojemności nie oferują obecnie żadnych plusów, a co więcej wprowadzają swoje rezonanse do widma impedancji sieci zasilającej, co może spowodować więcej problemów.

    Najlepszym podejściem jest zawsze przeprowadzanie dokładnej analizy, w tym również analizy reszty systemu dostarczania mocy w urządzeniu. Najlepiej przeprowadzić ją przy wykorzystaniu, jeśli są dostępne, dokładnych modeli wszystkich komponentów w systemie.

    Jeśli Twój najnowszy projekt stosuje trzy różne wartości kondensatorów filtrujących zasilanie, być może również postępujesz zgodnie ze starszymi wytycznymi projektowymi, które stosowane są od lat. Prawdopodobnie nadszedł jednak czas, aby ponownie rozważyć tę wytyczną i wykonać własną analizę obwodu zamiast wierzyć w mity.

    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 9741 postów o ocenie 7911, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • TermopastyTermopasty
  • #2
    Mac3k
    Poziom 20  
    Dorzucę swoje pięć złotych bo kiedyś robiłem tego typu pomiary w ramach ćwiczenia. Skala w osi Y może być pomieszana pomiędzy rysunkami (-10dB bo nie kliknąłem sobie na R&S'ie kalibruj, a już mi się nie chce tego poprawiać - proszę traktować rysunki porównawczo). Kondensatory jakieś zwykłe X5R albo X7R. Nic to odkrywczego ale można sobie popatrzeć.

    Rys 1. Wpływ podłączenia masy, kondensator 1nF SMD

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 3


    Rys 2. SMD vs THT

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 3


    Rys 3. SMD, to samo podłączenie, różne pojemności.

    Kondensatory filtrujące zasilanie - mit trzech wartości kondensatorów - część 3
  • TermopastyTermopasty
  • #3
    Janusz_kk
    Poziom 27  
    I po tych wykresach widać że analiza na symulatorze przeprowadzona przez autora jest o kant du.y potłuc, nadal różne pojemności mają różną częstotliwość graniczną, bez znaczenia czy smd czy tht,
  • #4
    krzysiek_krm
    Poziom 38  
    Janusz_kk napisał:
    I po tych wykresach widać że analiza na symulatorze przeprowadzona przez autora jest o kant du.y potłuc, nadal różne pojemności mają różną częstotliwość graniczną, bez znaczenia czy smd czy tht,

    Czy mógłbyś rozwinąć tę myśl, nie bardzo wiadomo o co Ci chodzi ?
  • #5
    Janusz_kk
    Poziom 27  
    krzysiek_krm napisał:
    Czy mógłbyś rozwinąć tę myśl, nie bardzo wiadomo o co Ci chodzi ?

    Popatrz na wykresy Mac3k.
    Mac3k napisał:
    Dorzucę swoje pięć złotych bo kiedyś robiłem tego typu pomiary w ramach ćwiczenia.


    robił pomiary a nie symulacje, elementów które się najczęściej używa czyli
    Mac3k napisał:
    Kondensatory jakieś zwykłe X5R albo X7R.


    polecam ostatni rysunek czyli:
    Mac3k napisał:
    Rys 3. SMD, to samo podłączenie, różne pojemności.


    widać jakie F graniczne mają różne pojemności co jest w sprzeczności z główną tezą artykułu że:
    ghost666 napisał:
    Pochodzenie mitu o zastosowaniu trzech różnych wartości kondensatorów wywodzi się z czasów popularnego stosowania elementów przewlekanych. Kondensatory o mniejszej wartości pojemności zwykle miały niższą ESL i niższą impedancję przy wysokiej częstotliwości. W przypadku kondensatorów THT zastosowanie trzech różnych wartości kondensatorów ma istotną przewagę jednak w przypadku kondensatorów MLCC do montażu SMD, jakie używane są od ponad 20 lat, te stare wytyczne projektowe nie mają już zastosowania.*


    PS *Wyróżnienie moje.
  • #6
    krzysiek_krm
    Poziom 38  
    Wyciągasz błędne wnioski z prawdziwych danych.
    Janusz_kk napisał:
    Popatrz na wykresy Mac3k.
    Mac3k napisał:
    Dorzucę swoje pięć złotych bo kiedyś robiłem tego typu pomiary w ramach ćwiczenia.


    robił pomiary a nie symulacje, elementów które się najczęściej używa czyli
    Mac3k napisał:
    Kondensatory jakieś zwykłe X5R albo X7R.

    Te pomiary potwierdzają coś, co wiadomo od dawna - nie ma idealnych elementów, w szczególności rzeczywisty kondensator jest (na potrzeby modelu dla celów filtracji) szeregowym obwodem RLC, to chyba nie dziwota, że na wykresie impedancji widać rezonans szeregowy (ESR), po lewej stronie dominuje reaktancja pojemnościowa a po prawej indukcyjna.
    Janusz_kk napisał:
    polecam ostatni rysunek czyli:
    Mac3k napisał:
    Rys 3. SMD, to samo podłączenie, różne pojemności.


    widać jakie F graniczne mają różne pojemności co jest w sprzeczności z główną tezą artykułu że:
    ghost666 napisał:
    Pochodzenie mitu o zastosowaniu trzech różnych wartości kondensatorów wywodzi się z czasów popularnego stosowania elementów przewlekanych. Kondensatory o mniejszej wartości pojemności zwykle miały niższą ESL i niższą impedancję przy wysokiej częstotliwości. W przypadku kondensatorów THT zastosowanie trzech różnych wartości kondensatorów ma istotną przewagę jednak w przypadku kondensatorów MLCC do montażu SMD, jakie używane są od ponad 20 lat, te stare wytyczne projektowe nie mają już zastosowania.*

    Nie widzę jednak żadnych pomiarów kilku kondensatorów połączonych równolegle. Gdyby te pomiary zostały wykonane to okazałoby się mniej więcej to co widać na symulacjach. Po pierwsze, dla kondensatorów o różnych pojemnościach byłoby widać fałszywe, pasożytnicze rezonanse równoległe. Po drugie okazałoby się, że dla trzech kondensatorów o tej samej, dużej pojemności, wykres impedancji, w lwiej części pasma jest "najniżej".
    Okazuje się, że teza z tytułu artykułu jest prawdziwa w "dzisiejszych czasach".
    W artykule nie wspomniano o różnych współczesnych wynalazkach w obszarze MLCC - odwrotna geometria, trzy piny, celowo wprowadzana ESR, itp, itd.
    W specyficznych rozwiązaniach, głównie radiowych, używa się , rzecz jasna, różnych specyficznych pojemności do filtracji.