Decoupling Capacitor

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Aufgrund der sehr steilen Flankensteilheiten sind an jedem Power-Pin eines ICs Entkopplungskondensatoren, sogenannte Decaps erforderlich. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um digitale, analoge oder hochfrequente Schaltkreise handelt. Zur Verbesserung der Emissions- und Immunitätsleistung sind Decaps auch an jeder anderen Stelle auf der Leiterplatte erforderlich, an welcher schwankende Ströme aus einem Power Bereich gezogen werden. Beispielsweise in der Simulation (siehe Abbildung unten) ist zu sehen, dass die Kapazitäten in den roten Bereichen nicht genügend vorhanden sind und es daher zu Spannungseinbrüchen von einigen 100mV kommt.



Wirken De-Caps effektiv?


Die effektivste Entkopplung pro pF ist die Platzierung von Decaps in einem IC-Gehäuse ("Hybride Schaltkreise“) oder die Platzierung von Decaps auf einem Multi-Chip-Modul (MCM), wie es z.B. bei einem Intel Pentium™ der Fall ist. Die soeben genannten Beispiele sind bei sehr hohen Frequenzen am effektivsten und praktisch unumgänglich, da sie die kleinstmögliche Grösse der Stromschleife (Current Loop, siehe Abbildung unten) erreichen müssen. Beim Entwurf eines FPGAs oder ASICs sollten also dementsprechend möglichst viel Entkopplungskapazität in den Siliziumchips oder auf den MCMs selbst platziert werden. Beim Entwurf einer Leiterplatte ist dementsprechend darauf zu achten, dass die Decaps so nahe wie möglich an den jeweiligen Power Pins platziert werden.

 

Wie viel Kapazität ist genug?


Der Grund für die Entkopplung von ICs besteht darin, die Spannung trotz schwankender Stromanforderungen innerhalb kürzester Zeit aufrecht zu erhalten. Die Höhe der für einen IC erforderliche Entkopplungskapazität C lässt sich leicht mit dem Ausdruck C·ΔV = I·Δt berechnen. ΔV ist die maximal zulässige Reduzierung der tatsächlichen Spannung in Volt, die eine korrekte Funktion des ICs noch ermöglicht (siehe Datenblatt des jeweiligen ICs) - und lässt sich leicht aus der "Worst-Case" Spannung berechnen. I ist der maximale Strombedarf in Ampere und Δt ist die Zeit, für die dieser Bedarf besteht. Die Schwierigkeit ist ein I·Δt zu spezifizieren, da es sich um eine schwankende Grösse handelt, die vom Betriebsmodus des Geräts und den von ihm getriebenen Lasten abhängt. Es stellte sich jedoch oft heraus, dass ein 10nF für die Entkopplung pro Power Pin eines ICs ausreicht, aber die meisten ICs benötigen gemäss den Herstellern mehr und sollten aus dem Datenblatt entnommen werden. Ein wesentliches Problem besteht darin, dass die Art der verwendeten Decaps und/oder die Induktivität im sogenannten Current Loop (wird durch das Decap und den dazugehörigen Power Pin des ICs gebildet, siehe Abbildung oben) verhindern kann, dass die Decaps bei schnellen Schwankungen des Powers wirksam werden. Daher liefern gute Hersteller im Allgemeinen eine Menge an Daten darüber, wie ihre Bauteile entkoppelt werden sollen (z.B. die Application Notes von Xilinx).


Welche Typen von De-Caps gibt es?

Eines der effektivsten Entkopplungskondensatoren sind die SMD Mehrschichtkeramiken (MLCC, multilayer ceramic chip capacitor), da keramisches Dielektrika echte elektrostatische Barrieren sind, die ihre gesamte Ladung mit jeder erforderlichen Geschwindigkeit abgeben können. In der Praxis wird ihre Entladungsrate durch die Eigeninduktivität (sogenanntes ESL) des Bauelements und die Induktivität in seinem äusseren Stromkreis begrenzt (was auch bei allen anderen Kondensatortypen eine Einschränkung darstellt). Es gibt MLCCs, die speziell für hohe Frequenzen ausgelegt sind, wie z.B. die Murata GRH700-Serie, daher ziehen einige Entwickler diese Serie bei Highspeed Designs vor. Diese sind aber kostspieliger als die anderen Kondensatoren, da sich nicht in sehr hohen Stückzahlen gekauft werden. Kunststoffdielektrika leiden unter dielektrischer Absorption, d.h. dass nicht die gesamte gespeicherte Ladung sofort verfügbar ist. Einige Dielektrika (z.B. Teflon, Polycarbonat) sind besser als andere, aber sie sind wiederum einiges teurer. Das alltägliche, kostengünstige Polyester-Dielektrikum wird mit zunehmender Frequenz über einige MHz immer schlechter. Kunststoff-Decaps weisen aufgrund ihrer Konstruktion auch tendenziell höhere ESL-Werte auf als MLCCs.

Elektrolytkondensatoren, einschliesslich Tantal, sind auf chemische Veränderungen angewiesen, um ihre Ladung zu speichern und wurden bis vor kurzem dafür geschätzt, dass sie eine höhere Ladungsdichte als Kunststoff- oder Keramiktypen haben. Wenn man warten muss, bis chemische Veränderungen in ihnen stattfinden, bevor die Ladung freigesetzt wird, beschränkt sich ihre praktische Verwendung auf Frequenzen unter 1MHz. Elektrolyten neigen auch dazu, aufgrund ihres internen Aufbaus höhere ESLs als MLCCs zu haben. In den letzten Jahren gab es bedeutende Fortschritte bei MLCCs. Mittlerweile sind 100nF von einigen Anbietern in den sehr guten X7R- und/oder Z5U-Dielektrika in der extrem kleinen 0201-Gehäusegrösse erhältlich. Durch die niedrigeren Innenimpedanzen von MLCCs können diese bei der Entkopplung niedrigerer Frequenzen ebenso gut funktionieren wie Elektrolyte, die bis zu 5-mal grössere Werte aufweisen, so dass ein MLCC mit 100nF manchmal ein Elektrolyt mit 470nF ersetzen könnte. Die einzigen Gründe für die Verwendung von Elektrolyten sind heutzutage die Entkopplung von hohen Spannungen oder dort, wo niedrigste Kosten wichtiger sind als Grösse, Gewicht und Zuverlässigkeit.

Die ESL einer Entkopplung ist ein wichtiger Beitrag zur Induktivität der Stromschleife, welche aus der Entkopplung und dem damit verbundenen IC sowie der Verbindung zwischen den beiden besteht. Es ist sehr wichtig, die Induktivität dieser Stromschleife zu reduzieren (keine Varianten mit Anschlussdrähten wählen wie in der Abbildung oben, rechts) und daher ist es sehr wichtig, Decaps mit niedriger ESL zu verwenden. Kleinere und/oder weniger profilierte SMD MLCCs haben tendenziell niedrigere ESLs.


Was sind Serie Resonanzen?


Serienresonanzkreise haben eine Eigenresonanzfrequenz (SRF), bei der ihre Impedanz auf ein Minimum sinkt (nur durch den Widerstand im Kreis begrenzt). fSRF = 1/2π√(LTOTC), wobei LTOT = die Gesamtinduktivität, die mit dem Decap verbunden ist (die ESL des Kondensators plus die Verbindungsinduktivität des Decaps). LTOT in Henrie (H) und C in Farad (F) ergibt fSRF in Hz. Oberhalb des fSRF beträgt die Decap-Impedanz einfach 2πfLTOT, so dass sie mit zunehmender Frequenz zunimmt. Die Abbildung oben zeigt das Serienresonanzverhalten von drei Kondenstor Werten, wobei durchschnittliche 0805 oder 0603 Kondensatoren mit einer ESL von etwa 1nH angenommen werden, plus ein gutes Fanout des jeweiligen Kondensators, welches eine LTOT von 2nH erreicht. Die gestrichelten Linien in der Abbildung oben zeigen, dass die Selbstimpedanz eines idealen Kondensators mit zunehmender Frequenz kontinuierlich abnimmt, wenn man davon ausgeht, dass im Current Loop überhaupt keine Induktivität vorhanden ist. Die durchgezogenen Linien zeigen jedoch, dass reale Kondensatoren bei ihrer SRF eine Impedanz haben, die niedriger ist als die eines idealen Kondensators desselben Werts. Abbildung oben zeigt auch, dass bei Frequenzen oberhalb ihrer SRF die Decap-Impedanz vollständig durch LTOT definiert ist. Moderne ICs mit steilen Flanken schalten so schnell, dass sie bei Frequenzen unterhalb von 200 MHz erhebliche Emissionen erzeugen. Daher ist oberhalb von 200MHz die LTOT zu minimieren sehr wichtig, um die Impedanz bei solch hohen Frequenzen zu reduzieren.