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EMC

Sélection de condensateur de découplage CEM

Calcule l'impédance du condensateur de découplage à la fréquence et la fréquence d'autorésonance pour le découplage CEM.

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Formule

Xc=1/(2πfC),fSRF=1/(2π√LC)Xc = 1/(2πfC), f_SRF = 1/(2π√LC)
C— Capacitance (F)
L— Inductance de l'emballage (varie selon l'emballage) (H)

Comment ça marche

Le calculateur CEM du condensateur de découplage détermine les valeurs et le placement optimaux pour la suppression des émissions par conduction, ce qui est essentiel pour la conformité à la norme CISPR 32, la conception des FPGA PDN et la réduction du bruit des régulateurs de commutation. Les ingénieurs d'EMC l'utilisent pour atténuer le bruit de 20 à 40 dB à des fréquences spécifiques tout en évitant les résonances susceptibles d'aggraver les émissions.

Selon les notes d'application « EMC Engineering » et Murata d'Henry Ott, l'impédance du condensateur Z = sqrt ((1/ (2 x pi x f x C)) ^2 + ESR^2) inférieure à la fréquence d'autorésonance (SRF), et Z = 2 x pi x f x ESL au-dessus de la SRF. Un MLCC de 100 nF avec 0,7 nH ESL (boîtier 0402) résonne à F_srf = 1/ (2 x pi x sqrt (0,7e-9 x 100e-9)) = 19 MHz. Au-delà de 19 MHz, le condensateur devient inductif et perd son efficacité de découplage.

Selon l'IPC-2152 et la « conception du système numérique à haute vitesse » de Smith, plusieurs valeurs de condensateur en parallèle créent des bandes de faible impédance qui se chevauchent : 10 uF couvre le DC-1 MHz ; 100 nF couvre 1 à 30 MHz ; 10 nF couvre 30 à 100 MHz ; 1 nF couvre 100 à 300 MHz. Chaque valeur gère les fréquences autour de sa SRF où l'impédance est égale à l'ESR (généralement de 10 à 50 mohm pour les MLCC).

Selon Johnson/Graham, le placement est essentiel : chaque mm de trace entre le condensateur et la broche d'alimentation du circuit intégré ajoute une inductance d'environ 1 nH, décalant le SRF effectif vers le bas et dégradant le découplage haute fréquence. Un condensateur à 10 mm du circuit intégré a un ESL ajouté à 10 nH, ce qui réduit l'efficacité au-dessus de 5 MHz de 20 dB par rapport à une connexion directe.

Exemple Résolu

Problème : découplage de conception pour un FPGA à 200 MHz montrant des émissions conduites de 12 dB au-dessus de la limite CISPR 32 à 180 MHz. Le PDN actuel ne possède que des condensateurs en vrac de 10 uF.

Solution par mois :

  1. Fréquence du problème : 180 MHz — supérieure à une SRF de 10 uF (environ 500 kHz) et 100 nF (environ 19 MHz)
  2. Atténuation requise : marge de 12 dB + 6 dB = 18 dB à 180 MHz
  3. Condensateur pour 180 MHz : besoin d'une SRF proche de 180 MHz ; C = 1/ (4 x pi^2 x f^2 x L) = 1/ (4 x pi^2 x (180e6) ^2 x 0,7e-9) = 1,1 nF
  4. Sélectionnez 1 nF 0402 MLCC (SRF environ 190 MHz, ESR environ 30 mohm)
  5. Impédance à SRF : Z = ESR = 30 mohm
  6. Efficacité du découplage : si l'impédance du PDN était de 3 ohms à 180 MHz, l'ajout de condensateurs est réduit à 30 mohm — amélioration = 20 x log10 (3/0,03) = 40 dB
  7. Utilisez 4 condensateurs de 1 nF en parallèle : Z = 30/4 = 7,5 mOhm
Emplacement : condensateurs de 1 nF à moins de 2 mm des broches d'alimentation du FPGA sur la même couche (aucun via dans le chemin de découplage). Ajoutez les quatre côtés du BGA.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez la « règle 1-2-4 » pour le découplage des FPGA, selon Intel/Xilinx : 1 x 10 uF en vrac par rail, 2 x 100 nF par cluster de broches d'alimentation, 4 x 10 nF répartis sur la surface de la puce. Fournit une impédance plate de 100 kHz à 200 MHz.
  • ✓Placez les condensateurs sur la même couche que les broches d'alimentation du circuit intégré. Selon Smith, le chemin de découplage ajoute une inductance de 1 à 2 nH. Les condensateurs arrière sous BGA avec via-in-pad atteignent une inductance ajoutée proche de zéro.
  • ✓Mesurez l'impédance du PDN avec le VNA pour identifier les résonances : selon Sandler, la précision de la simulation est de +/- 30 % ; la mesure réelle révèle des antirésonances entre le plan et les condensateurs qui provoquent des pics d'impédance à des fréquences spécifiques.

Erreurs Fréquentes

  • ✗En utilisant uniquement de gros condensateurs (10 uF) pour le bruit à haute fréquence : par Ott, 10 uF SRF correspond à environ 500 kHz ; au-dessus de 1 MHz, le condensateur est inductif avec une impédance croissante. Les émissions à plus de 100 MHz nécessitent des condensateurs de 1 à 10 nF avec un SRF plus élevé.
  • ✗Ignorer l'inductance du boîtier : selon Murata, le package 0805 a 1,2 nH ESL contre 0,7 nH pour 0402. Les boîtiers plus grands ont un SRF plus faible : 100 nF en 0805 résonnent à 14 MHz contre 19 MHz en 0402. Utiliser le plus petit emballage pour une efficacité de fréquence maximale.
  • ✗Placer les condensateurs loin du circuit intégré — selon Johnson/Graham, une trace de 10 mm ajoute 10 nH, ce qui équivaut à passer de 0402 à un grand condensateur à trous traversants. Acheminez l'alimentation et la masse directement sous le condensateur avec le via vers le plan ou utilisez le via-in-pad pour une inductance minimale.

Foire Aux Questions

Selon les directives de Murata : (1) 10 à 100 uF en vrac par rail d'alimentation (DC-1 MHz) ; (2) 100 nF par broche d'alimentation (1-30 MHz) ; (3) 10 nF si la commutation est supérieure à 50 MHz (30-100 MHz) ; (4) 1 nF si des horloges supérieures à 200 MHz (100-300 MHz). Pour les microcontrôleurs : 100 nF par broche d'alimentation sont généralement suffisants. Pour les FPGA : gamme complète requise avec les quantités indiquées dans le guide de conception Intel/Xilinx.
Par Ott : 10 nF a une SRF plus élevée (environ 60 MHz en 0402) que 100 nF (environ 19 MHz). Pour supprimer le bruit à 50-150 MHz, 10 nF est plus efficace car il reste capacitif dans cette plage. Utilisez 100 nF pour le filtrage DC-30 MHz ; utilisez 10 nF pour 30-100 MHz ; utilisez 1 nF pour 100-300 MHz. Les valeurs multiples couvrent l'ensemble du spectre.
Oui à SRF — par Murata, l'impédance du condensateur est égale à l'ESR à la fréquence d'auto-résonance. Les céramiques X5R/X7R ont une ESR de 10 à 50 mohm ; le tantale a 50 à 500 mohm. Chez SRF, la céramique à faible ESR permet un découplage supérieur de 10 à 20 dB à celui du tantale. Au-dessus et en dessous du SRF, l'ESR est moins important. Utilisez le MLCC X5R/X7R pour le découplage CEM ; le tantale uniquement pour le stockage en vrac.
Selon les directives Intel/Xilinx : les microcontrôleurs simples ont besoin d'un condensateur par broche d'alimentation ; les FPGA complexes ont besoin de 50 à 200 condensateurs au total en fonction de la consommation électrique et de la vitesse de commutation. Règle générale : 1 condensateur par mA de courant de commutation à la fréquence concernée. Pour un FPGA de 100 MHz consommant un courant de cœur de 2 A : environ 20 à 40 condensateurs de découplage haute fréquence au minimum.
Oui, selon Smith, l'antirésonance entre le condensateur ESL et la capacité plane peut créer des pics d'impédance 10 à 100 fois plus élevés que l'un ou l'autre seul à des fréquences spécifiques. Si l'antirésonance coïncide avec une harmonique de bruit, les émissions à cette fréquence s'aggravent. Solution : utilisez plusieurs valeurs de condensateur pour que les résonances se chevauchent ; ajoutez un amortissement à l'aide d'un amortisseur RC en série si une antirésonance spécifique pose problème.

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