Welche Größe sollte der Glättungskondensator für meine digitalen ICs haben?

Zachariah Peterson
|  Created: July 1, 2019  |  Updated: January 25, 2021
Kondensatoren auf einer schwarzen PCB
Sind diese Kondensatoren richtig dimensioniert?

There is quite a bit of information out there about bypass and decoupling capacitors. Both components are vitally important for maintaining power integrity and signal integrity. When you start looking through the information on this topic, you’ll find that the procedure for sizing a decoupling capacitor for a digital IC is quite simple.

Bypassing vs. Decoupling: What’s the Difference?

Although you wouldn’t know it from reading some PCB design guides, bypass and decoupling capacitors do not refer to two different types of capacitors. These two terms refer to the function of the capacitor rather than its design or the materials used in it. Many designers will refer to the two capacitors and their functions interchangeably. In essence, any given capacitor could be used either as a bypass or decoupling capacitor.

The intended idea behind a bypass capacitor is to prevent noise from entering the PCB system from the power supply by “bypassing” it directly to ground. Because a capacitor also acts as a high pass filter to ground, it can be used to pass high frequency noise in the system directly to the ground return. In effect, low level noise present in the output from a DC power supply can never enter the system.

Compare this with another use of a capacitor for power integrity. When placed across the power and ground pins of an IC, a capacitor performs the same function as it would with a power supply, thus it is also sometimes called a bypass capacitor. In fact, it provides the same function as bypassing, i.e., it provides a path to ground with capacitive impedance. However, it performs another function that is quite important, thus this placement makes the capacitor a decoupling capacitor. When one logic IC switches, it can raise the ground potential for itself and other nearby ICs, a phenomenon also known as ground bounce. Connecting a decoupling capacitor to the power and ground pins of an IC “decouples” its potential from that of other ICs on the board.

Although the two terms were originally intended to reference different functions and not different types of capacitors, any designer that wants to ensure power and signal integrity in their board needs to select the right size for their bypass or decoupling capacitor. Some datasheets for different components will stress adding a specific decoupling capacitor (they will often call it a bypass capacitor) between the power and ground pin of a component for signal integrity purposes. Note that this is merelya recommendation, but you would do well to understand how this recommendation was determined.

Equivalent Capacitor Model

In order to choose the right size for your capacitor, you’ll need to examine the basic circuit model for a capacitor. As much as we would like to think that a capacitor behaves exactly as the theory states, this is actually not the case. Therefore, there is an empirical RLC model that is used to explain the behavior of any capacitor.

Äquivalente RLC-Schaltung zur Modellierung eines Kondensators
Äquivalente RLC-Schaltung zur Modellierung eines Kondensators

 

In diesem Modell sind ESR und ESL der äquivalente Serienwiderstand bzw. die äquivalente Serieninduktivität. Der Wert von C kann als die Kapazität genommen werden, die im Datenblatt eines Bauteils angegeben ist. Der Wert von R steht für die Leitfähigkeit des Dielektrikums, das den Kondensator bildet. Dies erklärt vorübergehende Leckagen, die in einem Kondensator auftreten, nachdem dieser geladen und aus seinem Stromkreis entfernt wurde. Dieser Wert ist normalerweise groß genug, sodass er ignoriert werden kann.

In diesem Modell (R ignorierend) ist der Wert (ESR/(2*ESL)) die Dämpfungskonstante des Ersatzschaltkreises unter der Annahme, dass die an die Enden des Schaltkreises angeschlossene Last 0 Ohm beträgt. Dies bestimmt, wie schnell die Schaltung auf eine Änderung der Eingangsspannung bei voller Ladung/Entladung reagieren kann. Sie sollten die Datenblätter Ihres Kondensators überprüfen, damit Sie die Dämpfungskonstante berechnen können.

Wenn Sie eine digitale Schaltung entkoppeln, die eine höhere Schaltgeschwindigkeit hat, dann werden Sie einen Kondensator mit einer äquivalenten Dämpfungskonstante wählen wollen, der die Schaltung kritisch dämpft oder leicht überdämpft, um das Klingeln während der Entladung zu unterdrücken. Solange die Entladungsrate kürzer als die Schaltzeit ist, kann der Glättungskondensator Spannungsschwankungen schnell ausgleichen.

Dimensionierung eines Glättungskondensators für digitale ICs

Beachten Sie, dass der obige Punkt bezüglich der Entladerate im äquivalenten Modell nichts über die Kapazität aussagt. Um Ihren Kondensator richtig zu dimensionieren, müssen Sie die maximale Ladungsmenge, die im Kondensator gespeichert werden muss, und die Spannungsschwankung, die es zu kompensieren gilt, berücksichtigen. Da die meisten Lasten kapazitiv sind, können Sie den Strom, der die Last erreicht, mit der Rate in Beziehung setzen, mit der die Spannung des Signals von AUS nach EIN (oder umgekehrt) wechselt:

Strom-/Kapazitätsgleichung
Strom-/Kapazitätsgleichung

Beachten Sie, dass Sie eine ähnliche Technik auch auf eine rein ohmsche oder induktive Last anwenden könnten.

Die Verwendung dieser Gleichung für eine kapazitive Last lässt sich am besten an einem Beispiel zeigen. Angenommen, Sie haben einen digitales IC mit 12 Ausgängen, wobei jedes Ausgangssignal 5 V mit 6 ns Anstiegszeit beträgt. Jeder Ausgang treibt eine Last mit 50 pF Lastkapazität. Wenn Sie die Anstiegszeit des Signals als linear annehmen, dann kann die Ableitung in der obigen Gleichung als dV = 5 V und dt = 6 ns geschrieben werden. Daher ist der erforderliche Strom pro Ausgang:

Strom pro Ausgang bei unserem Beispiel-IC
Strom pro Ausgang bei unserem Beispiel-IC

Wenn alle 12 Ausgänge gleichzeitig von hoch auf niedrig schalten, dann beträgt der gesamte Stromeinbruch von der Masseplatte 500 mA. Dies bewirkt eine Änderung des Massepotenzials, die wiederum eine Änderung des Signalpotenzials bewirkt, und der Kondensator soll diese Änderung des Signalpotenzials kompensieren. Wenn wir annehmen, dass der Grenzwert für den EIN-Zustand 4,5 V beträgt, dann beträgt der Spannungseinbruch, der kompensiert werden muss, 0,5 V, um Bitfehler zu vermeiden. Außerdem muss innerhalb von 6 ns kompensiert werden. Daher ist die minimale Entkopplungskapazität:

Rechnungsbeispiel für einen Glättungskondensator
Minimale Kapazität des Beispiel-Glättungskondensators

Hier sollten Sie mindestens einen 6 nF-Kondensator verwenden, um eine maximale Spannung von 0,5 V innerhalb von 6 ns zu kompensieren. Beachten Sie, dass einige Richtlinien empfehlen würden, in diesem Beispiel zwei 3 nF-Kondensatoren parallel zu verwenden, da dies den ESR um den Faktor 2 reduzieren würde. Jedoch würde dies auch den ESL um den Faktor 2 reduzieren, so dass die Auswirkung auf die Dämpfung gleich null ist. Wenn die Reaktion des Kondensators unterdämpft ist, können Sie sich für einen größeren Kondensator entscheiden, um die Reaktion näher in Richtung kritisch gedämpft oder überdämpft zu bringen. Die Verwendung von zwei parallel geschalteten Kondensatoren trägt jedoch dazu bei, das Impedanzspektrum des PDN-Netzwerks nahe der Resonanzfrequenz des Kondensators abzuflachen.

Eine ähnliche Methode kann auf einen Glättungskondensator auf einem Strombus angewendet werden, obwohl Sie hier Dinge wie die Brummspannung (oder Schaltgeschwindigkeit bei einem Schaltnetzteil), das gesamte Störspektrum im Ausgang und Ihre PDN-Impedanz berücksichtigen müssten. Wenn mehrere ICs auf demselben Strombus erscheinen, wird manchmal zusätzlich zu einem Standard-Glättungskondensator eine Reiheninduktivität verwendet, die ein Entkopplungsnetzwerk bildet. Diese Aspekte werden in einem separaten Artikel besprochen.

Da Leiterplatten heute mit niedrigeren Pegeln, höheren Datenraten und strengeren Störungsanforderungen arbeiten, sollte jeder Designer die passenden Tools haben, um Bypass- und Glättungskondensatoren für seine PCBs auszuwählen und zu platzieren. Nur Altium Designer bietet Ihnen Schaltplandesign- und Layout-Tools, die Sie für die Erstellung neuer Designs benötigen. Die Simulationstools von Altium Designer helfen Ihnen auch dabei, Probleme mit der Stromintegrität zu identifizieren und das vorübergehende Verhalten Ihres Stromnetzes zu untersuchen.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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