EMC a blokování napájení Reálný kondenzátor Tři druhy blokovacích kondenzátorů Správné umístění blokovacích kondenzátorů Vlastnosti různých typů kondenzátorů
Problém: Blokování napájení impulzní spotřeba součástek 10 0.. 10 2 ma /ns zpoždění průchodu proudu na DPS > 0,1ns/cm stabilizátor napětí nestíhá reakční doba > 1μs Řešení: blokovací kondenzátor = velmi blízký a pohotový zdroj...každý jiný napájecí zdroj se nachází elektricky příliš daleko od spotřebiče...
Reálný kondenzátor vlastní rezonanční kmitočet (self resonance) ω=1/ LC!!!100nF SOLITÉR pro blokování číslicových obvodů JE HRUBÁ NÁVRHÁŘSKÁ CHYBA!!!
Reálný kondenzátor IMPEDANCE R4 I P 1Vac 0Vdc 0.1 V1 R2 0.05 0 L2 0.5n FÁZE PROUDU C1 {Cx} L3 0.5n R3 0.05 0
Tři druhy blokovacích kondenzátorů 1. Lokální (decoupling) lokální zdroj energie pro každou součástku (impulzní proudy) keramický vf kondenzátor 2. Skupinový (bulk) zdroj pro přebíjení kapacitních zátěží tantalový nebo keramický kondenzátor 3. Filtrační (bypassing) širokopásmový filtr pro napájení celé desky eliminuje vliv indukčností přívodů, kontaktních odporů... elektrolytický + keramický kondenzátor
1. Lokální (decoupling) lokální zdroj energie pro každou součástku (impulzní proudy) keramický vf kondenzátor C d I p U t CC [F] I p - impulzní proudová spotřeba obvodu U CC -přípustná změna napájecího napětí t - doba trvání proudového impulzu (t r a t f ).
1. Lokální (decoupling) Příklad pro 1 hradlo HCMOS (I P =15mA, t=3,5ns, U CC =25mV) C d I p U t CC 15.10 0,025 3,5.10 I - impulzní proudová spotřeba obvodu U - přípustná změna napájecího napětí t - doba trvání proudového impulzu (t r a t f ). -3-9 2 [nf] keramický kondenzátor s rezonančním kmitočtem nad 90MHz!!! Použijeme například paralelní kombinaci 100nF a 1nF
1. Lokální (decoupling) Příklad pro mikroprocesor (I P =200mA, t=5ns, U CC =25mV) C d I p U t CC 200.10 0,025-9 5.10 I - impulzní proudová spotřeba obvodu U -přípustná změna napájecího napětí t - doba trvání proudového impulzu (t r a t f ). -3 40 [nf] keramický kondenzátor s rezonančním kmitočtem nad 60MHz!!! Použijeme například paralelní kombinaci 100nF a 1nF
2. Skupinový (bulk) zdroj pro přebíjení kapacitních zátěží (I L ) tantalový nebo keramický kondenzátor C BULK U CC C IN U CC [F] U CC C IN -přípustná změna napájecího napětí -součet všech vstupních kapacit přebíjených mikroprocesorem
2. Skupinový (bulk) Příklad pro mikroprocesor a 16-bitovou paměť (C IN =5pF na 1 vstup, U CC =25mV) C BULK U CC C IN CIN U U CC CC 16 5.10 0,025-12 5 16 [nf] Použijeme například keramický kondenzátor 1uF a to jak u mikroprocesoru, tak i u paměti -přípustná změna napájecího napětí -součet všech vstupních kapacit přebíjených mikroprocesorem
3. Filtrační (bypassing) širokopásmový filtr pro napájení celé desky eliminuje vliv indukčností přívodů, kontaktních odporů... elektrolytický + keramický kondenzátor C BYPASS LPSW [ F] 2 Z PWR Z PWR U I CC CC [ ] L PSW - parazitní indukčnost napájecího systému (10nH/cm) U CC -přípustná změna napájecího napětí Z PWR - impedance napájecího systému I CC - celkový impulzní proudový odběr
3. Filtrační (bypassing) Příklad pro malou desku s mikroprocesorem ( I CC =500mA, U CC =25mV, 20cm PWR spojů, 10nH/cm) Z C PWR BYPASS U I CC CC -9 L PSW 200.10 120 [ F ] 2-3 Z 2,5.10 PWR 25.10-3 50 [m ] 0,5 Použijeme například: 2-3ks tantalových kondenzátorů 100uF + keramický kondenzátor 10nF u konektoru!!! tato sestava neřeší filtraci EMC!!! nutno doplnit vhodným I/O filtrem (LC) s ochrannými prvky (Transil...)
Příklad blokování mikroprocesoru RA0 1 RA1 2 RA2 6 RA3 7 RA4 3 RA5 4 OSC1 16 OSC2 15 5 U1 PIC18F1220 8 RA0 RB0 9 RA1 RB1 17 RA2 RB2 18 RA3 RB3 10 RA4 RB4 11 RA5 RB5 12 OSC1 RB6 13 OSC2 RB7 VSS VDD 14 RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 VCC OSC1 Q1 16MHz OSC2 VCC VCC VCC C10 15p C11 15p C1 1n C2 100n C3 10u
Umístění kondenzátorů - obecně
Parazitní indukčnost na DPS 10nH/cm 1mm spoje, 1A, 1ns: 1. 10 1 1.10
Parazitní indukčnost na DPS Příklad pro 1 hradlo HCMOS SOIC14 a 1mm spoje ke kondenzátoru: 10nH/cm 0,5mm 1mm L: 6mm x 1nH di: 10mA dt: 1/3 tf 1ns 2mm 2mm 0,5mm 0,01 6 1. 10 1.10 V CHIP = V CC U L
Parazitní indukčnost na DPS Rychlé součástky s větší spotřebou 10nH/cm = nutná eliminace parazitní indukčnosti umístění napájecích pinů blíže k čipu (ne na uhlopříčce) více paralelních pinů PWR/GND pouzdra s velkoplošným GND padem (QFN...) více paralelních blokovacích kondenzátorů přívod PWR a GND plochami (= vícevrstvé DPS)
Rychlé součástky s větší spotřebou umístění napájecích pinů blíže k čipu (ne na uhlopříčce) více paralelních pinů PWR/GND pouzdra s velkoplošným GND padem (QFN...) více paralelních blokovacích kondenzátorů 10nH/cm přívod PWR a GND plochami (= vícevrstvé DPS) 10mA/1ns 100mA..1A/1ns..100ps 1A..10A/100ps..10ps
BGA napájecí kříž Symetrický odvod tepla Polohovací značky TOP Blokovací kondenzátory v kříži BOTTOM
V1 = 0 V2 = 5 TD = 200n TR = 10n TF = 10n PW = 1u PER = 2u 0 V2 V V 0 L2 L1 U1 1 2 A VCC 3 Y GND 4 50nH 100nH V V1 74HCT04_P R1 0 5 10k C1 {Cx} PARAMETERS: Cx = 100n I 0 0
Umístění kondenzátorů
Příklad blokování součástky, která kope rušení zpět do napájení VCC_X 1 RA5 2 RA4 3 RA3 4 U2 VDD GP5/OSC1 GP4/AN3/OSC2 GP3/MCLR VSS 8 7 GP0/AN0 6 GP1/AN1 5 GP2/AN2 RA0 RA1 RA2 C4 1n VCC_X VCC_X VCC_X VCC L1 1 2 BLM18KG121TN1 C5 100n C6 10u C7 1n VCC C8 100n C9 10u VCC
Paralelní řazení kondenzátorů s velkou proudovou zátěží zdroj C1 220u C2 220u C3 220u spotřebič zdroj C1` 220u C2 220u C3 220u spotřebič ŠPATNĚ SPRÁVNĚ
Perlička: poučka starých bastlířů Funguje Váš plošák nějak divně? Nechte ho zapnutý, hrábněte do něj prstama a když se rozjede, šoupněte tam místo prstů 1kΩ nebo 1nF Co jsme vlastně udělali? Buď jsme impedančně přizpůsobili kritické dlouhé spoje s odrazy, nebo jsme kvalitněji zablokovali napájecí napětí. a to je pravda, to můžem říct TSR
Keramické kondenzátory NP0 0..10nF X7R 100p..10uF Y5V 1n..100uF
Tantalové kondenzátory
Keramické x tantalové kondenzátory
Al elektrolytické kondenzátory 100uF/25V Panasonic (příklad)
Třídy fóliových kondenzátorů
Fóliové kondenzátory - X1, X2 Line to line applications X1 X2 Dissipation factor tanδ 1.10-3 1.10-3 Insulation resistance 15 000 MΩ 15 000 MΩ Rated AC voltage 440V @ 50/60Hz 310V @ 50/60Hz Maximum continuous VDC 1000V 630V DC test voltage 3400V @ 1min 2200V @ 1min
Fóliové kondenzátory - Y1, Y2 Line to ground applications Y1 Y2 Dissipation factor tanδ 1.10-3 1.10-3 Insulation resistance 30 000 MΩ 100 000 MΩ Maximum continuous VAC 750V @ 50/60Hz 480V @ 50/60Hz Rated AC voltage 250V @ 50/60Hz 300V @ 50/60Hz Maximum continuous VDC 3000V 1500V DC test voltage 4800V @ 2s 4000V @ 2s
Napájecí filtr (příklad 1) L D1 D1N4007 PWR_AC1 C1 1nF_Y L1 100uH C5 1nF_Y D3 D1N4007 C7 1nF_Y PE C3 100nF_X PE C4 100nF_X D2 D1N4007 PE N C2 1nF_Y L2 100uH C6 1nF_Y D4 D1N4007 C8 1nF_Y PWR_AC2
Napájecí filtr (příklad 2) L D1 D1N4007 L1 POSITIVE 4.7mH C1 4.7uF C2 4.7uF N NEGATIVE
EMC a blokování zdroje a literatura Záhlava, V. : Návrh a konstrukce desek plošných spojů, BEN, Praha 2011 Katalogové listy součástek