Selección de Condensador de Desacoplo EMC
Calcula la impedancia del condensador de desacoplo a frecuencia y la frecuencia de autorresonancia para desacoplo EMC.
Fórmula
Xc = 1/(2πfC), f_SRF = 1/(2π√LC)
Cómo Funciona
Los condensadores de desacoplamiento suprimen el ruido de la fuente de alimentación al proporcionar una ruta de baja impedancia para las corrientes de alta frecuencia cercanas al circuito integrado. La reactancia capacitiva a la frecuencia f es Xc = 1/ (2π FC). En la práctica, cada condensador tiene una resistencia en serie (ESR) y una inductancia en serie equivalentes (ESL, normalmente de 0,5 a 2 nH para paquetes SMD). La impedancia total es |Z| = √ (Xc² + ESR²) por debajo de la autorresonancia, y la frecuencia autorresonante es f_SRF = 1/ (2π √ (L_pkg × C)), donde L_pkg ≈ 1 nH para un paquete 0402. Por encima de f_SRF, el condensador se comporta de forma inductiva y pierde su eficacia de desacoplamiento. En el caso de EMC, elija los valores de los condensadores de forma que f_SRF esté cerca de la frecuencia de conmutación o del armónico del reloj que se va a suprimir. Varios condensadores en paralelo amplían el ancho de banda de baja impedancia.
Ejemplo Resuelto
Problema: Un condensador de 100 nF con ESR = 0.05 Ω necesita desacoplar una fuente de conmutación de 100 kHz. ¿Cuál es su impedancia a 100 kHz y cuál es su frecuencia autorresonante suponiendo una inductancia de paquete de 1 nH? Solución: 1. Xc a 100 kHz: C = 100 nF = 100 × 10° F; Xc = 1/ (2 π × 100 000 × 100 × 10) = 15,9 mΩ 2. Impedancia total: |Z| = √ (0,0159² + 0,05²) = 52,5 mΩ 3. SRF: f_SRF = 1/ (2π √ (1 × 10 × 100 × 10)) = 1/ (2 π × 10-1) = 15,9 MHz Resultado: a 100 kHz, el condensador está muy por debajo del SRF y proporciona un buen desacoplamiento. A 15,9 MHz resuena; por encima de esta frecuencia, se debe agregar un condensador más pequeño (por ejemplo, 1 nF) en paralelo.
Consejos Prácticos
- ✓Utilice varios valores de condensadores en paralelo (por ejemplo, 10 μF + 100 nF + 1 nF) para cubrir un amplio rango de frecuencias, desde kHz hasta cientos de MHz.
- ✓Coloque los condensadores 0402 o 0201 en la misma capa directamente debajo de los pines de alimentación IC para obtener una inductancia mínima del paquete.
- ✓En el caso de los PCB multicapa, utilice pares de planos de alimentación y tierra como capacitancia distribuida; proporcionan un desacoplamiento efectivo por encima de los 100 MHz, donde los condensadores discretos se vuelven inductivos.
Errores Comunes
- ✗Al usar solo un condensador a granel grande, por encima de su SRF, se vuelve inductivo. Un tantalio de 10 μF tiene un SRF de alrededor de 1 MHz; añada una cerámica paralela de 100 nF para frecuencias más altas.
- ✗Ignorando la inductancia del paquete: un condensador de 0805 tiene ~2 nH, uno de 0402 ~0,7 nH; esto limita directamente la frecuencia más alta desacoplada.
- ✗Al colocar el condensador lejos del pin de alimentación del circuito integrado, cada mm de traza añade inductancia (～ 1 nH/mm), lo que aumenta el ESL efectivo y degrada el desacoplamiento por encima de unos pocos MHz.
Preguntas Frecuentes
¿Qué valor de condensador debo usar para un circuito integrado digital de 3,3 V?
Una regla común es de 100 nF por pin de alimentación para frecuencias de hasta ~10 MHz (compruebe SRF), más un condensador a granel de 10 μF por raíl de alimentación por clúster de circuitos integrados. En el caso de circuitos integrados con bordes rápidos (relojes DDR, GHz), añada también 10 nF o 1 nF por pin de alimentación.
¿Por qué algunos diseños usan 10 nF en lugar de 100 nF?
Los valores de capacitancia más pequeños tienen un impacto de ESL proporcionalmente menor en el SRF. Un condensador 0402 de 10 nF tiene un SRF de ≈ 50 MHz frente a 15 MHz de 100 nF. Para suprimir los armónicos de reloj a más de 100 MHz, 10 nF puede ser más eficaz.
¿La ESR es muy importante para el desacoplamiento de EMC?
En frecuencias muy por debajo del SRF, el Xc domina y la ESR es insignificante. Cerca del SRF, la ESR limita la impedancia mínima (impedancia = ESR en el momento de la resonancia). En el caso de la EMC, una ESR más baja suele ser mejor, por lo que se prefieren los condensadores cerámicos X5R/X7R en lugar de los de tántalo para el desacoplamiento de alta frecuencia.
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