Параллельное включение блокировочных конденсаторов Опции

[ims]

Добрый день!

Для развязки питания цифровых схем обычно рекомендуется параллельное включение конденсаторов разных номиналов для получения низкого импеданса в широком диапазоне частот. Например, здесь для развязки питания STM32F103 ув. =AK= советует параллельное включение конденсатора 1мкФ и 4-х конденсаторов 10нФ.

Если взять эквивалентные схемы конденсаторов, например, для серии CGA3, и построить график зависимости модуля импеданса для параллельного включения 1мкФ и 4x10нФ, то получится кривая с резонансным подъемом на частотах 20-50МГц (желтая линия на графике). На частоте 35МГц импеданс параллельно включенных конденсаторов почти в 5 раз больше, чем импеданс каждого из конденсаторов по отдельности. Результат ожидаемый, поскольку в диапазоне частот между собственными резонансами конденсаторов фазы их импедансов различаются практически на 180 градусов, конденсаторы "мешают" друг другу.

Эффект заметный, однако о нем совершенно не упоминается в контексте проектирования развязки питания. Это действительно не важно? Или в реальных платах вредное взаимовлияние конденсаторов как-то нивелируется?

[ViKo]

15 нГ - это слишком много для SMD конденсатора. Думаю, 1 нГ - самое то.

[=AK=]

15 нГ - это слишком много для SMD конденсатора. Думаю, 1 нГ - самое то.

Наверное он имел ввиду индуктивности проводников, соединяющих конденсаторы. Однако цепь питания как правило не одна линия, а что-то вроде сетки, какая там индуктивность - трудно оценить.

Я тоже более склонен к одинаковым развязывающим конденсаторам, но не вижу причин, почему надо ставить именно 100 нФ. Просто так уж повелось. Логичнее было бы ставить минимальной емкости, достаточной для развязки, что на мой взгляд ближе к 10 нФ. Просто потому что их частотные свойства лучше. А на более низких частотах вступят в действие конденсаторы, которые стоят подальше.

Интересно, что получится, если соединить конденсаторы через развязывающие ферритовые бусины. Некоторые типы ферритов позиционируются как "рассеивающие". Будут с ними резонансы или нет - неясно.

[ims]

Интересно, что получится, если соединить конденсаторы через развязывающие ферритовые бусины. Некоторые типы ферритов позиционируются как "рассеивающие". Будут с ними резонансы или нет - неясно.

Еще немного картинок

На рисунке приведен вариант развязки шин цифрового и аналогового питания (например, для PLL или АЦП):


Импеданс источника питания моделируется резистором 0.1Ом и дросселем 100нГн. Bulk-конденсаторы на основной шине +3.3В - 22мкФ (1206), 2шт. Блокировочные конденсаторы на шине VCCA - 0.1мкФ. Монтажная индуктивность конденсаторов - 2.2нГн. Между шинами - BLM31PG601SN1.

Результат расчета импеданса по моделям Murata:

Синяя линия - импеданс с закороченной бусиной. Как обычно имеет место резонансный пик на частоте 6МГц из-за взаимодействия конденсаторов разных номиналов.
Красная линия - импеданс со стороны шины +3.3В при наличии бусины. Пик на частоте 6МГц полностью исчез.
Желтая линия - импеданс со стороны шины VCCA при наличии бусины. На частоте 131кГц появился резонанс большой амплитуды (123Ом).

Действительно, из модели BLM31PG601SN1 следует, что на низких частотах бусина ведет себя как дроссель с индуктивностью около 4мкГн. Совместно с емкостью около 400нФ это приводит к низкочастотному резонансу.

Если в схеме добавить на шину VCCA керамический конденсатор 10мкФ с малым ESR, то основной резонанс сгладится и уйдет ниже по частоте (4Ом 31кГц), но появится еще один поменьше (0.6Ом @ 5МГц):


Если последовательно с керамическим конденсатором 10мкФ включить демпфирующий резистор 2 Ома, как, например, рекомендуют здесь, то низкочастотный резонанс снизится еще в два раза (1.4Ом @ 29кГц), а высокочастотный резонанс останется на месте:


М.б. это всем известно, но для меня низкочастотные "пакости" от бусин были полной неожиданностью. Бусины всегда ассоциируются с высокими частотами, и та же Murata приводит характеристики от 1МГц.

[Alexashka]

Еще немного картинок

На рисунке приведен вариант развязки шин цифрового и аналогового питания (например, для PLL или АЦП):

Хотел спросить как Вы извлекаете модели конденсаторов? Например у Вас С2=91,2нФ, если брать их кривую импеданса, то на 100кГц выходит Z=16,4 Ом, что соответствует С=97 нФ... далее если исходить из частоты собственного резонанса Fsfr=26,6 МГц и С=97 нФ, то индуктивность получается L=370 пГн (у Вас 277 пГн). Не понятно почему такое расхождение.

Про бусины это действительно давно уже обсуждалось, их фишка (большое активное сопротивление потерь) начинает работать с сотен МГц, а на низких частотах это действительно просто индуктор, со всеми вытекающими. Возможно более лучшим решением будет использовать проходные конденсаторы-фильтры, например серия NFM18/NFM21 той же Murat'ы.

Документик в котором описывается данная проблема  Understanding_Ferrite_Beads_and_Applications.pdf ( 2.6 мегабайт ) Кол-во скачиваний: 474