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Seleção de Capacitor de Desacoplamento CEM

Calcula a impedância do capacitor de desacoplamento na frequência e a frequência de autorressonância para desacoplamento CEM.

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Fórmula

Xc = 1/(2πfC), f_SRF = 1/(2π√LC)

C — Capacitance (F)
L — Package inductance (varies by package) (H)

Como Funciona

Os capacitores de desacoplamento suprimem o ruído da fonte de alimentação fornecendo um caminho de baixa impedância para correntes de alta frequência próximas ao IC. A reatância capacitiva na frequência f é Xc = 1/ (2π FC). Na prática, cada capacitor tem uma resistência em série equivalente (ESR) e uma indutância em série equivalente (ESL, normalmente 0,5—2 nH para pacotes SMD). A impedância total é |Z| = √ (Xc² + ESR²) abaixo da autorressonância, e a frequência autorressonante é F_srf = 1/ (2π√ (L_pkg × C)) onde L_pkg ≈ 1 nH para um pacote 0402. Acima de F_srf, o capacitor se comporta indutivamente e perde sua eficácia de desacoplamento. Para EMC, escolha os valores do capacitor para que F_srf fique perto da frequência de comutação ou da harmônica do relógio a ser suprimida. Vários capacitores em paralelo estendem a largura de banda de baixa impedância.

Exemplo Resolvido

Problema: Um capacitor de 100 nF com ESR = 0,05 Ω precisa desacoplar uma fonte de comutação de 100 kHz. Qual é sua impedância a 100 kHz e qual é sua frequência autorressonante assumindo a indutância do pacote de 1 nH?
Solução:
1. Xc a 100 kHz: C = 100 nF = 100×10․ F; Xc = 1/ (2π × 100.000 × 100×10․) = 15,9 mΩ
2. Impedância total: |Z| = √ (0,0159² + 0,05²) = 52,5 mΩ
3. SRF: F_SRF = 1/ (2π √ (1 × 10․ × 100 × 10․)) = 1/ (2π × 10․) = 15,9 MHz
Resultado: a 100 kHz, o capacitor está bem abaixo do SRF e fornece um bom desacoplamento. A 15,9 MHz, ele ressoa; acima dessa frequência, um capacitor menor (por exemplo, 1 nF) deve ser adicionado em paralelo.

Dicas Práticas

  • ✓Use vários valores de capacitor em paralelo (por exemplo, 10 μF + 100 nF + 1 nF) para cobrir uma ampla faixa de frequência de kHz a centenas de MHz.
  • ✓Coloque os capacitores 0402 ou 0201 na mesma camada diretamente sob os pinos de alimentação do IC para obter uma indutância mínima da embalagem.
  • ✓Para PCBs de várias camadas, use pares de potência e plano de aterramento como capacitância distribuída — eles fornecem desacoplamento efetivo acima de 100 MHz, onde capacitores discretos se tornam indutivos.

Erros Comuns

  • ✗Usando apenas um único capacitor de massa grande — acima de seu SRF, ele se torna indutivo. Um tântalo de 10 μF tem SRF em torno de 1 MHz; adicione uma cerâmica paralela de 100 nF para frequências mais altas.
  • ✗Ignorando a indutância do pacote — um capacitor 0805 tem ~ 2 nH, um 0402 ~ 0,7 nH; isso limita diretamente a maior frequência desacoplada.
  • ✗Colocar o capacitor longe do pino de alimentação do IC — cada mm de traço adiciona indutância (≈1 nH/mm), elevando o ESL efetivo e degradando o desacoplamento acima de alguns MHz.

Perguntas Frequentes

Uma regra comum é 100 nF por pino de alimentação para frequências de até ~ 10 MHz (verifique SRF), mais um capacitor a granel de 10 μF por trilho de alimentação por cluster de IC. Para ICs com bordas rápidas (DDR, relógios de GHz), adicione também 10 nF ou 1 nF por pino de alimentação.
Valores menores de capacitância têm um impacto de ESL proporcionalmente menor no SRF. Um capacitor 0402 de 10 nF tem SRF ≈ 50 MHz versus ≈15 MHz para 100 nF. Para suprimir os harmônicos do relógio em mais de 100 MHz, 10 nF pode ser mais eficaz.
Em frequências bem abaixo do SRF, o Xc domina e o ESR é insignificante. Próximo ao SRF, o ESR limita a impedância mínima (impedância = ESR na ressonância). Para EMC, um ESR mais baixo geralmente é melhor, e é por isso que os capacitores cerâmicos X5R/X7R são preferidos ao tântalo para desacoplamento de alta frequência.

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