PCB

Rechner zur Auswahl von Entkopplungskondensatoren

Berechnen Sie den SRF des Entkopplungskondensators, die Impedanz bei der Zielfrequenz und die Anzahl der Kappen, die für die Integrität der Stromversorgung erforderlich sind. Beinhaltet ESR/ESL-Modellierung. Kostenlose, sofortige Ergebnisse.

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Formel

f_SRF = 1 / (2π√(ESL·C)), Z = √(ESR² + (X_C − X_L)²)

C— Kapazitanz (F)

ESR— Äquivalenter Serienwiderstand (Ω)

ESL— Äquivalente Serieninduktivität (H)

f_SRF— Eigenresonanzfrequenz (Hz)

Z— impedanz (Ω)

Wie es funktioniert

Der Decoupling Capacitor Calculator bestimmt die optimalen Kondensatorwerte und die optimale Platzierung für die Rauschunterdrückung der Stromversorgung — unerlässlich für die Integrität der digitalen IC-Leistung, das FPGA-PDN-Design und die EMV-Konformität. PDN-Techniker verwenden dies, um eine Zielimpedanz von unter 100 mOhm bei Gleichstrom bis 500 MHz zu erreichen und so zu verhindern, dass Versorgungsstörungen die Signalintegrität beeinträchtigen.

Gemäß Smiths „High-Speed Digital System Design“ legt die kapazitive Reaktanz Xc = 1/ (2 x pi x f x C) die niederfrequente Impedanz fest, aber ESL (äquivalente Serieninduktivität, typischerweise 0,5-2 nH) und ESR erzeugen eine resonante Spitze bei F_srf = 1/ (2 x pi x sqrt (ESL x C)). Ein 100 nF 0402-Kondensator mit 0,7 nH ESL schwingt bei 19 MHz mit; darüber wird er induktiv und verliert an Entkopplungseffektivität.

Gemäß den IPC-2152 PDN-Richtlinien erfordert das Erreichen einer flachen Impedanz mehrere parallele Kondensatorwerte: 10 uF (schwingt bei 500 kHz) decken niedrige Frequenzen ab; 100 nF (schwingt bei 19 MHz) decken das Mittelband ab; 10 nF (schwingt bei 60 MHz) und 1 nF (schwingt bei 200 MHz) erweitern die Abdeckung auf Hunderte von MHz. Jeder Wert überlappt den induktiven Bereich des nächsten.

Die Platzierung ist entscheidend — laut Johnson/Graham erhöht jeder mm der Leiterbahn den effektiven ESL des Kondensators um etwa 1 nH. Ein 100 nF-Kondensator, der 10 mm von einem IC-Stromanschluss entfernt ist, hat eine zusätzliche Induktivität von 10 nH, wodurch der SRF von 19 MHz auf 5 MHz heruntergeschoben wird und die Hochfrequenzentkopplung um 12 dB verschlechtert wird. Platzieren Sie Entkopplungskondensatoren in einem Abstand von 3 mm von den Stromanschlüssen.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwurfsentkopplung für ein 1,8-V-FPGA mit 200 mA transientem Strom in 2 ns (di/dt = 100 mA/s), PDN-Zielimpedanz < 50 mOhm bei 100 MHz.

Lösung laut Smith:

Zielimpedanz: Z_Target = DeltaV_Max/DeltaI = 0,09 V (5% von 1,8 V)/0,2 A = 450 mohm... zu hoch. Verwenden Sie das Ziel 90 mV/2 A Transient = 45 mohm.
Bei 100 MHz ist eine Gesamtkapazität erforderlich, um Xc < 45 mohm: C > 1/ (2 x pi x 100e6 x 0,045) = 35 nF zu liefern
ESL schränkt jedoch die Leistung ein: Sie benötigen mehrere Kondensatoren mit überlappenden SRF-Bändern.
Design: 2 x 10 uF (Bulk, SRF ~500 kHz), 4 x 100 nF (SRF ~19 MHz), 4 x 10 nF (SRF ~60 MHz), 2 x 1 nF (SRF ~200 MHz)
Parallele Impedanz bei 100 MHz: 4 x 10 nF-Kondensatoren parallel = 4/ (2 x pi x 100e6 x 10e-9) = 15 mohm bezogen auf die Kapazität; ESR und ESL addieren ~10 mohm.
Insgesamt: ~25 MOhm bei 100 MHz — erfüllt das 45-Mohm-Ziel mit Marge.

Platzierung: Alle Kondensatoren, die nicht weiter als 3 mm von den FPGA-Stromanschlüssen entfernt sind, befinden sich auf derselben Schicht (keine Durchkontaktierungen im Pfad).

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie 0402- oder 0201-Pakete für beste Hochfrequenzleistung — 0402 hat 0,7 nH ESL gegenüber 1,2 nH für 0805, wodurch die nutzbare Bandbreite gemäß den TDK-Anwendungshinweisen um 30% erweitert wird.
✓Halten Sie sich an die „1-2-4-Regel“: 1 x 10 uF Bulk, 2 x 100 nF pro Stromanschluss, 4 x 10 nF verteilt über den Chipbereich — bietet eine flache Impedanz von 100 kHz bis 200 MHz gemäß den Intel FPGA Design Guides.
✓Messen Sie die PDN-Impedanz mit VNA — die Simulationsgenauigkeit liegt bei +/- 30%. Die tatsächliche Messung zeigt Resonanzen von Leiterplattenebenen und über Feldern, die über 100 MHz dominieren.

Häufige Fehler

✗Verwendung eines einzigen großen Kondensatorwerts — ein 10-uF-Kondensator liefert <1 mohm at 10 kHz but >aufgrund von ESL 100 Ohm bei 100 MHz. Für die Breitbandabdeckung gemäß IPC-2152 müssen mehrere Werte verwendet werden.
✗Ignorieren Sie die Via-Induktivität im Entkopplungspfad — ein einziger 0,3-mm-Durchgang fügt 1,5 nH hinzu, vergleichbar mit dem ESL des Kondensators. Verwenden Sie mehrere Durchkontaktierungen oder platzieren Sie den Kondensator auf derselben Schicht wie der Stromanschluss (Johnson/Graham).
✗Platzieren Sie Kondensatoren weit vom IC entfernt — jede 5 mm Leiterbahn erhöht die Induktivität um 5 nH, wodurch der SRF um sqrt (5/0,7) = 2,7x nach unten verschoben wird und die Hochfrequenzeffektivität um 8 dB reduziert wird.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Hauptzweck eines Entkopplungskondensators?

Stellen Sie einen lokalen Ladungsspeicher bereit, um transiente Stromanforderungen ohne Spannungsabfall zu decken. Laut Smith benötigt ein IC, der 1 A in 1 ns schaltet, 1 nC Ladung. Wenn die PDN-Induktivität 10 nH beträgt, würde die Versorgungsspannung ohne lokale Kondensatoren um 10 V abfallen. Entkopplungskondensatoren sorgen für diese Ladung innerhalb der Zeitvorgaben des ICs.

Wie wähle ich den richtigen Kapazitätswert?

Passen Sie SRF an die Rauschfrequenz an. <1 MHz (bulk); 100 nF for 1-30 MHz (primary decoupling); 10 nF for 30-100 MHz; 1-10 nF for >Pro IPC-2152:10-100 uF für 100 MHz. Verwenden Sie mehrere Werte — kein einziger Kondensator deckt mehr als ein Jahrzehnt effektiv ab. In den Datenblättern der IC-Hersteller sind häufig die erforderlichen Werte angegeben.

Kann ich Elektrolytkondensatoren zur Entkopplung verwenden?

Nur für Bulk-/Niederfrequenz-Entkopplung unter 1 MHz. Elektrolyte haben im Vergleich zu MLCC-Keramiken (ESR < 10 mohm, ESL < 1 nH) einen hohen ESR (0,1-1 Ohm) und einen hohen ESL (5-20 nH). Elektrolyte haben im Vergleich zu MLCC-Keramiken einen hohen ESR (0,1-1 Ohm) und einen hohen ESL (5-20 nH) (ESR < 10 mohm, ESL10 uF Massenspeicher, MLCC für alle Hochfrequenzentkopplungen).

Warum haben Keramikkondensatoren eine Eigenresonanzfrequenz?

Alle echten Kondensatoren haben eine parasitäre Induktivität (ESL) von Leitungen und internen Elektroden. Bei F_srf = 1/ (2 x pi x sqrt (ESL x C)) heben sich kapazitive und induktive Reaktanzen auf, sodass nur ESR übrig bleibt. Oberhalb von SRF ist der Kondensator induktiv. Für 100 nF MLCC: SRF typischerweise 15-25 MHz; für 10 nF: 50-80 MHz; für 1 nF: 150-300 MHz.

Wie viele Entkopplungskondensatoren benötige ich pro IC?

Faustregel gemäß den Intel/Xilinx-Designleitfäden: mindestens 1 Kondensator pro Stromanschluss plus 1 Großkondensator pro Stromschiene. Für FPGAs: 0,5-1 Kondensator pro Stromanschluss für niedrige Geschwindigkeiten; 2-3 pro Pin für Hochgeschwindigkeitsdesigns (>500 MHz). Bei großen FPGAs sind es oft 50-200 Kondensatoren, die 10-20% der Platinenfläche beanspruchen.

Erweiterte Simulationswerkzeuge

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