Как инженеры, многие из нас, вероятно, научились «обходить / устранять» слабые места в своих системах, наблюдая за тем, как это сделали другие. Казалось бы — просто поместите керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ на каждый источник питания интегральной микросхемы (ИС) и проблема решена. Такой подход, кажется, работает во многих проектах. Но, как оказалось, в этом есть нечто большее. Поскольку микроконтроллеры и другие цифровые схемы работают с мегагерцовыми или даже гигагерцовыми частотами, шум, который они генерируют, является серьезной проблемой. А использование импульсных источников питания (SMPS) способствует появлению электрического шума. Поэтому мы реализуем схемы байпас.
Проблема возникает главным образом из-за необходимости в одном источнике постоянного тока для подачи напряжения на несколько микросхем на одной печатной плате (PCB) или сразу на несколько печатных платах. Источник питания и каждая подключенная цепь генерируют некоторый шум, переходные процессы с большими скачками тока или что-либо еще. Они передаются через общее подключение питания источника постоянного тока и другие проводные средства. Это плохо. Традиционный подход заключается в добавлении фильтра нижних частот при каждом подключении питания ИС. Разве это не байпас?
Основное решение в серьезных случаях заключается в добавлении нескольких байпасных конденсаторов для борьбы с различными типами шума. Поскольку конденсаторы хранят заряд, они могут минимизировать переходные процессы источника питания постоянного тока. Предполагается, что конденсаторы сглаживают вывод источника постоянного тока так, чтобы он выглядел как чистая горизонтальная линия на экране осциллографа. Ну, почти. Конденсаторы также обеспечивают «низкоомный путь к земле» для нежелательных высокочастотных сигналов электромагнитных помех.
Конструкции высокочастотного оборудования
Необходимость эффективного обхода действительно проявляется при проектировании оборудования, работающего на очень высоких частотах, таких как 50 МГц и выше. На этих частотах любая паразитная или распределенная индуктивность или паразитная индуктивность конденсатора становятся основными импедансами. Длинные соединительные провода, длинные дорожки на печатной плате и паразитная индуктивность в конденсаторах помогают распределить весь электромагнитный шум вокруг различных интегральных схем, подключенных к источнику питания.
Следовательно, первая часть решения состоит в том, чтобы минимизировать эту индуктивность путем уменьшения длины кабеля и сокращения дорожек на печатной плате. К счастью, многие проекты реализуются на очень маленьких платах, поэтому индуктивность трассировки не является большой проблемой. Затем, как вы, несомненно, узнали из опыта, установите шунтирующий конденсатор на вывод питания каждой микросхемы. А это означает пайку конденсатора прямо на самом выводе, чтобы уменьшить индуктивность между источником питания и нагрузкой.
Для достижения наилучших результатов вам следует поэкспериментировать с емкостью этого конденсатора. Хотя традиционный конденсатор емкостью 0,1 мкФ обычно работает, вы должны проверить различные значения, наблюдая за шумом на выводе питания на вашем осциллографе. В некоторых случаях вам может потребоваться только 0,01 мкФ или 0,001 мкФ — даже средний и высокий pF справятся с этой задачей. В некоторых продуктах даже одного шунтирующего конденсатора на микросхему не требуется. Его установка может привести к излишнему усложнению схемы. Тем не менее, если вы можете позволить себе небольшие дополнительные расходы, не рискуйте. Проверяйте все решения. Экспериментируйте. Каждая разработка отличается.
Не экономьте на качестве
Качество конденсатора — другая проблема. Его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) является основным фактором высокочастотного шунтирования. Во многих низкочастотных схемах мы игнорируем ESR, и при использовании схемы байпас часто этот нюанс упускается из виду. Другой типично игнорируемой характеристикой является эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). Это тоже паразитный конденсатор. Хотя ESL имеет очень низкий (pH), это может повлиять на байпас. Проблема в том, что на некоторой частоте конденсатор становится саморезонансным. Когда из-за электромагнитных помех или импульсов конденсатор вибрирует или звенит.
Распространенным решением является параллельное подключение двух или более байпасных конденсаторов разных размеров, благодаря чему достигается минимально возможный общий импеданс. Использование нескольких параллельных обводных конденсаторов сведет к минимуму влияние паразитных конденсаторов. Не забудьте разработать компоновку печатной платы для параллельного подключения нескольких конденсаторов байпас.
Что касается того, какой тип конденсатора использовать, ваш лучший выбор — керамический. Он имеет очень низкую ESR и ESL и имеет широкий диапазон значений. Слюдяной конденсатор имеет даже более низкую ESR / ESL, но они очень дорогие. Керамические конденсаторы доступны в большинстве стандартных размеров SMD. И они дешевле.
Совсем по-русски разучились говорить и писать. Когда я учился на инженера было понятие блокировочной емкости, а не какой-то байпас. Качество конденсаторов определялось его технологией изготовления, от которой зависили его параметры потерь — активных и реактивных (эквивалентные последовательные резисторы и индуктивности), а не какие-то словоблудия ESL, ESR. Если конденсатор плоский/, металлокерамический (конденсаторы типа КМ), то у него малая паразитная индуктивность, он более высокочастотный, но у него малая емкость. Если для увеличения площади и емкости применяют намотку из диэлектрика и обкладок конденсатора (конденсаторы типа МБМ, металлобумажные или электролитические) то емкость выше, а также выше и паразитная индуктивность. Для блокировки помех часто применяют комбинацию конденсаторов. На входе схемы ставят низкочастотные электролитические конденсаторы, а на схеме около микросхем ставят металлокерамические. Емкость и количество конденсаторов зависит от мощности помех.