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Introduction
Concernant la conception des circuits imprimés, l'intégrité du signal et les interférences doivent être parfaitement maîtrisées pour un fonctionnement optimal. Les condensateurs de découplage permettent d'atteindre cet objectif. Dans cet article du blog PCBTok , vous découvrirez ce que sont les condensateurs de découplage.
Qu'est-ce qu'un condensateur de découplage ?
Ce composant de circuit imprimé est utilisé pour atténuer les parasites de commutation haute fréquence sur la ligne d'alimentation. Il contribue également à réduire les fluctuations de tension susceptibles d'endommager les circuits intégrés sensibles. Il permet d'empêcher la circulation du courant électrique dans les circuits. Concrètement, il dérive vers le condensateur tout parasite généré par d'autres composants du circuit . De cette manière, le parasite n'affecte pas les autres parties du circuit, ce qui contribue à améliorer les performances des composants.
Pourquoi le découplage est-il nécessaire ?
Voici les raisons pour lesquelles le découplage est important et les effets qu’il a sur votre circuit imprimé.
Bloquer le bruit à haute fréquence
Ce composant sert à supprimer les signaux parasites haute fréquence. Les signaux RF, par exemple, peuvent perturber le circuit. De la même manière qu'un réservoir d'eau est installé sur le toit d'une maison, le condensateur de découplage stocke l'énergie à proximité de l'appareil. En effet, lors du fonctionnement d'appareils haute fréquence , le courant est souvent ralenti par l'impédance et l'inductance des lignes. Le condensateur de découplage résout ce problème en alimentant l'appareil dès qu'il en a besoin. C'est pourquoi on trouve de petits condensateurs près des broches VCC sur les circuits imprimés des appareils haute fréquence.
Fournir une alimentation continue aux parties actives
Comme mentionné précédemment, lorsque vous allumez ou éteignez les éléments, un timbre apparaît et peut traverser la ligne électrique. Ces composants provoquent un bruit qui se propage sur toute la carte. Le condensateur de découplage fournit une alimentation CC locale à ces composants. Il réduit alors le bruit qui se propage sur toute la carte. Cela rend le circuit stable en éliminant le bruit à la terre afin que les autres composants ne soient pas perturbés par les opérations de commutation.
Lisser les variations de tension
Lorsque le courant requis par un appareil augmente brusquement, cela provoque une chute de la tension de l'alimentation électrique, ce qui peut entraîner une panne ou des dommages. Les condensateurs de découplage sont d'une grande aide car ils stockent de l'énergie et réduisent ainsi la tension d'ondulation. Ils sont capables de fournir une puissance supplémentaire si nécessaire pour réguler la tension et permettre à votre appareil de fonctionner de manière optimale.
Améliorer la qualité du signal
Lors de la transmission, les signaux peuvent être soumis à des bruits et des interférences qui altèrent les informations qu'ils contiennent. Le signal peut circuler dans votre circuit comme prévu en utilisant des condensateurs de découplage pour filtrer ce bruit. Cela vous aide également à augmenter les chances d'obtenir les performances souhaitées de votre circuit puisque les signaux qu'il émet sont plus propres.
Élimination du couplage entre les éléments
Il arrive parfois que les signaux d'un composant interfèrent avec ceux d'un autre. Ces derniers servent de barrières contre ce type de bruit. Votre circuit fonctionnera efficacement et chaque composant fonctionnera correctement.
Type de condensateurs utilisés pour le découplage
Condensateurs électrolytiques
Ces condensateurs sont généralement utilisés dans les circuits nécessitant une forte capacité . Ils sont constitués d'une couche diélectrique en oxyde métallique, comme l'aluminium ou le tantale. Cette conception les rend particulièrement adaptés aux circuits d'alimentation, où ils contribuent à la régulation et à la stabilité de la tension. Grâce à leur densité énergétique élevée, ils garantissent un fonctionnement stable des circuits et sont irremplaçables.
Condensateurs en céramique
Ces condensateurs sont très adaptés au découplage. Ils ont la capacité de gérer des fréquences élevées. De petite taille, ils ont une faible inductance et une grande stabilité. Ils peuvent bien fonctionner à des températures et des tensions variables. Ils ont également un faible ESR. Ils filtrent le bruit et offrent des performances stables.
Condensateurs à montage en surface MLCC
Fabriqués en céramique et en métal et composés de plusieurs couches, ils sont réputés pour leur grande fiabilité. Ils fonctionnent bien à haute fréquence et ont également des capacités de puissance élevées. Par conséquent, lors de l'utilisation de MLCC, il existe un risque de fissuration pouvant entraîner un court-circuit ou une réduction de la capacité. Une telle défaillance est susceptible de se produire dans l'ensemble du circuit, en particulier en cas de forte contrainte mécanique. Afin d'éviter les problèmes, il est conseillé d'utiliser des MLCC de haute qualité et de concevoir le PCB de manière à ce qu'il ne soit pas soumis à des contraintes ou à des vibrations.
Condensateurs haute fréquence
Élimine les signaux indésirables de votre circuit. Généralement en céramique . Sert à gérer et à réduire les signaux haute fréquence susceptibles d'endommager d'autres composants du circuit imprimé.
Condensateurs basse fréquence
Utilisés dans le filtrage du bruit dans les signaux basse fréquence. Ces condensateurs, par exemple de type électrolytique au tantale et à l'aluminium, sont essentiels pour contrôler les fluctuations de tension. Ils fonctionnent comme des niveleurs de tension et aident à filtrer le bruit qui peut nuire à votre circuit.
Condensateurs au tantale
Idéal pour le découplage basse fréquence lorsqu'une capacité élevée et une faible résistance série équivalente sont requises. Les cartes de contrôle et l'électronique embarquée sont des composants électroniques où vous pouvez voir ces condensateurs. Utilisé pour réguler l'alimentation en tension et éliminer tout bruit susceptible de perturber le circuit.
Condensateurs en aluminium
Très adapté au découplage basse fréquence. Bon marché et très haute capacité. Ces condensateurs sont disponibles dans différentes gammes de capacité et se caractérisent par une densité de capacité élevée. Ils peuvent stocker beaucoup de capacité dans un petit espace.
Condensateurs film
Pour le découplage haute et basse fréquence. Cependant, ils présentent certains inconvénients, ils ne sont pas adaptés au filtrage de l'alimentation électrique. En effet, ils sont normalement enroulés, ce qui ajoute de l'inductance et pose un problème dans leur capacité à filtrer le bruit de l'alimentation électrique.
Directives pour l'utilisation d'un condensateur de découplage dans un PCB
Découvrez les techniques appropriées pour choisir et monter ces éléments afin d'obtenir les meilleurs résultats. Voici quelques conseils à suivre pour avoir des circuits fiables :
Connaître les types de condensateurs à utiliser
Choisissez ceux qui ont une capacité élevée et un faible ESR.
Sélectionnez la bonne valeur de condensateur
Examinons le nombre de broches GND et VCC, ainsi que les signaux d'E/S de votre circuit. Il est nécessaire de choisir un condensateur dont la fréquence de résonance propre est aussi proche que possible de la plage de fréquences de fonctionnement du circuit. La fréquence de résonance propre correspond à la transition entre le comportement capacitif et inductif du circuit. Utilisez des condensateurs de 1 à 100 µF pour les basses fréquences et de 0.01 à 0.1 µF pour les hautes fréquences. Assurez-vous également que les condensateurs choisis présentent une faible ESR et une faible ESL afin d'optimiser le rendement.
Déterminer la taille du condensateur
Pour les PDN numériques, il est conseillé d'identifier l'emplacement du condensateur. La taille est déterminée par la charge nécessaire du circuit intégré de commutation et l'impédance du réseau de distribution d'énergie. Pour maintenir une certaine tension et un certain courant, les PDN analogiques nécessitent des condensateurs pour se charger et se décharger. Les condensateurs ont une applicabilité dans une certaine gamme de fréquences et ils se comportent différemment avec la fréquence.
Calculer le condensateur de découplage
Voici les deux façons de le calculer :
Méthode 1
Supposons que vous ayez besoin d'un condensateur suffisamment grand pour qu'il puisse supporter des variations de puissance. Multipliez le courant par la durée pendant laquelle vous souhaitez qu'il reste stable. De cette façon, vous saurez quelle taille utiliser. Divisez ensuite ce nombre par la tension minimale en dessous de laquelle vous pouvez laisser fonctionner le circuit.
Méthode 2
La prochaine méthode consiste à consulter les instructions de votre appareil électronique et à vérifier la taille du condensateur. Tout d'abord, vous effectuez un calcul simple qui dépend de la puissance et de la vitesse de votre appareil. Ensuite, multipliez par un facteur pour tenir compte de tout changement qui pourrait se produire et divisez par les broches d'alimentation utilisées. Vous obtenez ainsi la taille du condensateur nécessaire pour que tout soit sous contrôle et fonctionne comme prévu.
Placez le condensateur à proximité du circuit intégré
Pour un fonctionnement optimal de vos appareils électroniques, le condensateur de découplage doit être placé à proximité du circuit intégré, car c'est ce composant qui a besoin d'alimentation. De cette façon, vous pouvez minimiser les traces d'alimentation puisque le condensateur est juste à côté du circuit intégré. Des traces plus courtes aident à minimiser les interférences de bruit, ce qui est toujours une bonne chose et l'alimentation est propre.
Utiliser plusieurs condensateurs
Il est recommandé d'avoir plusieurs condensateurs de découplage dans un circuit imprimé. En effet, pour filtrer les fréquences, il faut utiliser des condensateurs de différentes capacités dans le circuit. Par exemple, on peut choisir d'utiliser un petit condensateur céramique mis en parallèle avec un condensateur électrolytique au tantale plus gros. Il est très efficace pour gérer les interférences à bruit élevé et faible.
Utiliser un plan de masse
Cela permet de former un chemin à faible impédance vers le condensateur de découplage. Utilisez cet outil en particulier dans le cas de circuits destinés à fonctionner à haute fréquence. L'utilisation d'un plan de masse peut vous aider à éliminer les bruits et à améliorer les performances de votre circuit.
Considérations relatives au placement du condensateur de découplage
Voici quelques conseils qui vous aideront à installer correctement vos condensateurs :
Distance au signal source
Placez-les au plus près du signal qu'ils découplent. Le condensateur doit être monté directement sur la broche du circuit intégré. Avec des signaux d'entrée et de sortie, il est préférable de le placer près du connecteur.
Éliminer les transitoires à basse fréquence
Placer les condensateurs de manière à ce qu'ils soient la continuation des traces. Cela permet de rejeter les signaux de basse fréquence indésirables tout en laissant passer les signaux de haute fréquence souhaités.
Broches d'alimentation et placement de la terre
Concentrez-vous sur les broches d'alimentation et les connexions à la terre. Pour réduire le bruit CA et stabiliser l'alimentation CC, des condensateurs sont utilisés en parallèle avec le trajet du signal. Cette configuration a le potentiel de faciliter la gestion du flux de puissance et d'améliorer la mise à la terre.
Filtrage du bruit haute fréquence
Pour réduire le niveau de bruit haute fréquence dans votre PCB, vous pouvez utiliser les condensateurs avec des résistances en connexion parallèle. Cette configuration est utile pour éliminer les signaux haute fréquence indésirables tout en laissant passer les signaux basse fréquence et CC. En ajoutant des condensateurs à côté des résistances, vous créez un filtre qui supprime le bruit et garantit que des signaux propres et stables traversent votre circuit.
Connexion de condensateurs à des vias
Lors de la connexion de condensateurs aux vias pour atteindre le plan d'alimentation, choisissez le condensateur et connectez-le directement à la broche du composant. Ensuite, placez le condensateur dans le via. De cette façon, le courant passe bien à travers le plan d'alimentation afin d'éviter toute congestion.
Isolation des retours analogiques et numériques
À cette fin, il sera utile d'utiliser des condensateurs de découplage pour séparer les masses des signaux analogiques et numériques. Montez ces condensateurs entre la masse du signal alternatif et la masse numérique sur la même couche du circuit imprimé . Cette conception garantit que les signaux analogiques et numériques n'interfèrent pas entre eux, réduisant ainsi les interférences.
Pratiques de mise à la terre saines
Pour obtenir un bon découplage sur les cartes à signaux multiples, il est nécessaire d'utiliser de bonnes techniques de mise à la terre. En outre, il est conseillé de veiller à ce que les condensateurs soient placés de manière appropriée ; le système de mise à la terre est bien fait. Cela empêche également le bruit d'affecter vos condensateurs de découplage pour garantir qu'ils fournissent une puissance stable. Cela signifie avoir des connexions appropriées des plans de masse et éviter certains des problèmes de mise à la terre qui peuvent entraîner un signal de mauvaise qualité.
Routage BGA et Dogbone
Lors de la manipulation de circuits intégrés à matrice de billes (BGA), des précautions supplémentaires doivent être prises lors de leur placement. Il est notamment nécessaire d'utiliser des microvias pour créer des courts-circuits entre les plans d'alimentation et de masse situés à proximité immédiate. Cette méthode facilite l'obtention d'une connexion fiable grâce à une meilleure sécurité. Le routage en forme d'os de chien peut également être utilisé pour acheminer les signaux autour de la zone BGA.
Facteurs affectant les condensateurs de découplage PCB
Par conséquent, il existe certains facteurs qui définissent l'efficacité des condensateurs de découplage PCB. Nous examinerons également diverses stratégies de placement et techniques de routage et leurs implications sur les performances.
Dimensions
La taille des condensateurs détermine la valeur de capacité que vous devez utiliser et l'endroit où vous pouvez intégrer le condensateur dans votre conception. Il est également important de sélectionner un condensateur qui répond aux paramètres de performance que vous avez définis, mais qui n'encombre pas la zone du PCB.
Réponse en fréquence
C'est ainsi que le condensateur est capable de gérer différents taux de signaux et d'éviter les signaux parasites. Les condensateurs en céramique sont efficaces pour filtrer les bruits haute fréquence. Les condensateurs au tantale et électrolytiques sont plus adaptés pour filtrer les bruits basse fréquence car, dans la pratique, leur bande passante effective est plus limitée.
Valeur de capacité
Cela définit la quantité d'énergie que le condensateur peut stocker ou fournir au circuit. C'est ce que vous devez sélectionner, la valeur de capacité adaptée à votre circuit. Si la capacité du condensateur est faible, le condensateur ne sera pas en mesure de filtrer efficacement les circuits. Si elle est trop élevée, la charge et la décharge peuvent être très lentes et peuvent également affecter le fonctionnement du circuit.
ESR
Tous les paramètres mentionnés précédemment sont d'une manière ou d'une autre influencés par l'ESR. Les condensateurs au tantale ont un faible ESR, ce qui est une bonne chose pour les circuits analogiques, car c'est dans les circuits analogiques que la stabilité est indispensable. Malgré le fait que les condensateurs en céramique possèdent un ESR plus élevé, ils sont préférés pour les circuits numériques à haute fréquence.
Tension nominale
Cette valeur indique la tension maximale qui peut être appliquée aux bornes du condensateur sans que celui-ci ne soit endommagé. Si la tension nominale est faible, le condensateur peut tomber en panne. L'utilisation de tensions nominales plus élevées entraîne des courants de fuite plus élevés. Cela peut également entraîner une légère variation de la capacité.
Cote de température
Ces chiffres indiquent la température à laquelle le condensateur peut résister. Il faut également veiller à ce que cette plage soit conforme aux conditions de température du PCB. Si la température dépasse la limite recommandée pour le condensateur, celui-ci risque de ne pas fonctionner correctement, voire de ne pas fonctionner du tout.
Condensateur de découplage ou de dérivation
Ces deux condensateurs sont principalement utilisés pour filtrer les signaux d'entrée, seuls les signaux sans bruit étant autorisés à passer. Ils assurent un chemin à faible impédance vers la terre pour ces courants à haute fréquence. Le découplage signifie contrôler les variations de tension. L'alimentation n'interférera avec aucun autre signal. Il est utilisé pour contrôler le flux de courant de manière à ce qu'il retienne et libère de l'énergie en quantité constante. Les condensateurs de dérivation luttent contre le bruit, tandis que les condensateurs de découplage luttent contre la tension. Utilisez les deux types dans votre conception.
Quelques questions supplémentaires sur les condensateurs de découplage
Les points ci-dessus sont quelques-uns des sujets que vous pouvez aborder, mais vous pouvez toujours avoir des questions après chaque sujet. Examinons certaines des questions que l'on peut être susceptible de rencontrer concernant les condensateurs de découplage.
Pourquoi utiliser deux condensateurs de découplage ?
Deux condensateurs de découplage permettent d'améliorer le PCB. Le plus gros condensateur est connu sous le nom de « banque » ou de condensateur « en vrac » et il est utile pour gérer les transitoires de tension ainsi que les surtensions soudaines. D'autre part, le plus petit condensateur « bypass » s'attaque au bruit haute fréquence et garantit qu'il n'atteigne pas votre circuit intégré. En plaçant ces condensateurs ensemble, vous combinez leurs atouts : le gros condensateur fournit l'alimentation et le petit bloque le bruit. Cette configuration minimise également les transitoires de commutation et améliore l'isolation du circuit.
Que se passe-t-il en cas de défaillance d’un condensateur de découplage ?
Lorsqu'un condensateur de découplage est en mauvais état, vous pouvez être confronté aux problèmes suivants dans votre circuit. Cela peut provoquer des courts-circuits dans le circuit. Cela peut entraîner une surchauffe du circuit et même la combustion de la carte. Dans de rares cas, un condensateur peut tomber en panne et provoquer des fissures sur les couches de la carte en raison des fissures.
Devez-vous utiliser un condensateur de découplage pour CI ?
Oui ! Vous devez utiliser un condensateur de découplage sur chaque circuit intégré. Un condensateur doit être placé sur le circuit imprimé. Généralement un condensateur de 0.1 µF. Il permet d'absorber les transitoires de tension en fournissant du courant pendant la commutation du circuit intégré. Essayez d'inclure des condensateurs encore plus gros, 1 µF ou 10 µF. Les condensateurs de découplage aident à fournir une tension régulée et en même temps à filtrer la tension de bruit qui peut affecter le fonctionnement du circuit intégré. Dans tous les cas, il est suggéré de consulter la fiche technique, mais il est possible d'utiliser au moins un condensateur sans aucun problème.
Où placer les condensateurs de découplage pour l’intégrité du signal et de l’alimentation ?
Connectez le condensateur entre les broches d'alimentation et la masse, puis observez sa capacité. Afin de minimiser les interférences électromagnétiques haute fréquence, il est recommandé de connecter le condensateur avec une résistance en série . Pour des performances optimales, le condensateur doit être placé aussi près que possible de la source du signal. Pour les pistes de signaux d'entrée/sortie, un condensateur en série est nécessaire. Pour un résultat optimal, il est impératif de le placer sur la même couche que les pistes de masse numériques et analogiques.
Conclusion
Dans cet article, nous avons donc examiné ce qu'est un condensateur de découplage, où et comment l'implémenter pour une intégrité optimale du signal et de la puissance. Certains des sujets abordés incluent les paramètres du condensateur, notamment la valeur de capacité, l'ESR et la température, ainsi que certains problèmes tels que la défaillance des condensateurs et l'utilisation de plusieurs condensateurs dans les circuits.
