Замена алюминиевого конденсатора танталовым конденсатором для объемного обхода акселерометра

13

В настоящее время я работаю над дизайном, который включает акселерометр AIS3624DQ от ST. В таблице указано (раздел 4, стр. 17):

«Конденсаторы развязки источника питания (керамика 100 нФ, алюминий 10 мкФ) должны быть расположены как можно ближе к выводу 14 устройства (обычная практика проектирования)».

Могу ли я заменить алюминий 10 мкФ (из-за его большого размера) вместо танталового конденсатора?

Крис
источник
Какой текущий номинальный блок питания? См. Electronics.stackexchange.com/questions/99320/…
Брайан Драммонд,
Я не мог найти эти слова в листе данных - может быть, ссылка на этот DS поможет.
Энди ака
@ Брайан Драммонд, мы на 3,3 В
Крис
@Andyaka, здесь страница 17: st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/group1/…
chris
12
3.3 В не текущий рейтинг.
Брайан Драммонд

Ответы:

40

Вы можете заменить алюминиевый электролит на тантал, но использование одного из них не намного лучший выбор.

В настоящее время керамика может легко покрывать 10 мкФ при диапазоне 10 вольт. Нет смысла использовать электролит или тантал. Вам также не нужен отдельный конденсатор емкостью 100 нФ (в любом случае это значение 1980-х годов), если вы используете керамику для большего значения.

Подумайте о том, что здесь происходит и что пытается сказать таблица. Эти устройства известны своей чувствительностью к шуму источника питания. Я на самом деле видел, как аналогичная часть усиливаетсяпульсация мощности от источника питания до выхода. Поэтому в техническом описании вы должны указать «большое» значение емкости на линии электропередачи для устройства. Вот откуда взялись 10 мкФ. Когда эта таблица данных была написана, или кто бы ее ни писал, она перестала идти в ногу с разработками, 10 мкФ было необоснованно большим запросом для любой конденсаторной технологии, которая была бы хороша на высоких частотах. Таким образом, они предлагают электролитический для «объемной» емкости 10 мкФ, но затем поместить керамику 100 нФ через нее. Эта керамика будет иметь более низкий импеданс на высоких частотах, чем электролитическая, несмотря на то, что она имеет в 100 раз меньшую емкость.

Даже в последние 15-20 лет или около того, 100 нФ могли быть 1 мкФ, не будучи обременительными. Общее значение 100 нФ происходит от древних сквозных дней. Это был самый дешевый керамический конденсатор самого большого размера, который все еще работал как конденсатор на высоких частотах, требуемых для цифровых чипов. Посмотрите на компьютерные платы 1970-х годов, и вы увидите дисковый конденсатор емкостью 100 нФ рядом с каждой из цифровых ИС.

К сожалению, использование 100 нФ для высокочастотного обхода само по себе стало легендой. Однако современные многослойные керамические конденсаторы емкостью 1 мкФ являются дешевыми и на самом деле имеют лучшие характеристики, чем старые свинцовые колпачки на 100 нФ в плейстоцене. Посмотрите на график зависимости импеданса от частоты для семейства керамических колпачков, и вы увидите, что 1 мкФ имеет более низкий импеданс практически везде, по сравнению с 100 нФ. Может быть небольшой провал в 100 нФ вблизи его резонансной точки, где он имеет более низкий импеданс, чем 1 мкФ, но это будет мало и не очень актуально.

Итак, ответом на ваш вопрос является использование одной керамики на 10 мкФ. Убедитесь, что то, что вы используете, на самом деле составляет 10 мкФ или более при напряжении питания, которое вы используете. Некоторые типы керамики падают в емкости с приложенным напряжением. На самом деле сегодня вы можете использовать керамику 15 или 20 мкФ и иметь лучшие характеристики по всей плате по сравнению с керамикой 100 нФ и электролитом 10 мкФ, рекомендованными в техническом описании.

Олин Латроп
источник
2
Интересно, если бы керамика 2x 10 мкФ параллельно была бы лучшим способом? И да, 100nF приходит с дней до MLCC - в настоящее время вы можете дешево купить керамику с концентрацией 10 мкФ в упаковке SMT и THT.
ThreePhaseEel
9
@Three: Больше емкости не должно быть больно. Для такого чувствительного чипа, как этот, я бы, вероятно, использовал два индуктора с ферритовым чипом, за которыми следовал керамический колпачок 20 мкФ. Если блок питания является коммутатором или имеет какой-либо значительный шум, я бы использовал немного более высокий источник питания с локальным LDO только для этой части. Феррит и колпачки, описанные выше, будут поступать на вход LDO, тогда один выход 1 мкФ на выходе LDO и входной мощности чипа должны быть в порядке. Все три (LDO, 1 мкФ крышка, чип) должны быть физически близко друг к другу.
Олин Латроп
2
Но почему даже современные таблицы данных рекомендуют 100 нФ? Мой профессор в университете (HF Design) даже рекомендует значения в диапазоне pF.
Майкл
3
@Mich: Для действительно высоких частот, таких как 100 МГц или более, даже некоторые керамические конденсаторы больше не действуют как конденсаторы. Однажды я использовал обходные колпачки на 100 пФ в радиочастотной системе, а затем определил конкретную модель, потому что другие пробки имели более высокое сопротивление на радиочастотной частоте.
Олин Латроп
1
@Mich: Для обычных цифровых микроконтроллерных систем небольшое количество энергии, оставляемое на частоте 100 МГц и выше из-за переключающих фронтов, не так много, и оно ослабляется другими факторами, такими как паразитная емкость и индуктивность. При 100 МГц даже всего 10 пФ - 160 Ом. Иногда это имеет значение, и вы используете несколько колпачков с небольшим, выбранным для его импеданса на действительно высоких частотах.
Олин Латроп
4

Вопреки ответу Олина Латропа, керамические конденсаторы не являются решением всех проблем с байпасом на уровне платы. Даже выбор керамических конденсаторов может отрицательно сказаться на производительности конструкции.

Важным фактом о некоторых керамических диэлектрических составах является то, что они демонстрируют пьезоэлектрическое поведение: они могут преобразовывать механическую энергию в / из электрической энергии. Для акселерометра это микрофонное поведение может связывать вибрации с частотой 100 Гц с источником питания устройства. Эта вибрация находится именно в интересующей полосе частот, потому что это то, что измеряет акселерометр, что означает, что она не может быть отфильтрована в цифровом виде.

Керамические конденсаторы также имеют характерную потерю емкости с приложенным смещением постоянного тока. Например, кривая зависимости емкости от постоянного тока устройства Murata GRM188R61A106KAAL # :

Емкость Murata GRM188R61A106KAAL в зависимости от смещения постоянного тока

Согласно интерактивной диаграмме, при типичном рабочем входе 3,3 В этот конкретный конденсатор имеет эффективную емкость только 5,337 мкФ, что составляет потерю почти 50% от номинальной емкости при менее чем половине номинального смещения постоянного тока. Хотя объемная емкость этого приложения не требует определенного значения, это может быть «уловкой» для приложений с минимальным требованием к емкости.

Кроме того, ЭПР алюминиевых электролитических и танталовых конденсаторов может быть выгодным . Поскольку это приводит к потерям конденсатора, это ослабит колебания и может помочь ограничить пики переходных процессов. Компания Linear Technology имеет примечание по применению, в котором описана опасность использования только керамических конденсаторов на входах источника питания с горячей заменой. Кроме того, к некоторым источникам питания предъявляются требования к ESR выходной байпасной емкости, как обсуждается в этой заметке по применению TI. Чтобы использовать керамические конденсаторы с очень низким ЭПР, на самом деле требуется победить их низкий ЭПР путем установки последовательно с конденсатором резистора 10 мОм.

user2943160
источник
Ваш график абсолютно ужасен! Я хочу обойти операционный усилитель на +/- 15В. Типичный прохожий - 100 нФ. Является ли это смещение ухудшением общего для всей керамики, или только для вашего маленького типа SMT? Должны ли мы просто использовать керамику с номинальным напряжением 100 В для старых уровней напряжения?
Пол Ушак
@ Пол: Этот ответ вводит в заблуждение тем, что он выбирает особенно крайнюю часть и подразумевает, что он служит общим примером. Понижение емкости с напряжением, безусловно, существует, но есть также много дешевых деталей, которые реагируют намного лучше, чем показано. Это не является общим для всех керамических или SMD конденсаторов. Это функция керамики. Для неточного использования в больших объемах, например, для обхода, использование дешевой керамики может стоить небольшой дополнительной экономии. Лучшая керамика - это не намного больше денег, и вы также можете компенсировать ее, используя в некоторых случаях более высокую начальную емкость.
Олин Латроп
3

Алюминиевый конденсатор, похоже, является устройством объемного байпаса .

Танталы обычно имеют более низкое СОЭ, чем алюминиевые устройства, но это не должно иметь здесь значения, так как керамическое устройство в любом случае будет иметь низкое СОЭ.

Таким образом, вы должны быть в порядке, используя танталовое устройство вместо алюминиевого электролита.

Убедитесь, что вы используете устройство, рассчитанное как минимум на 2 Vcc.

Питер Смит
источник
1
Я предлагаю свой ответ здесь как полезное чтение :-).
Рассел МакМэхон
2

Уже есть несколько хороших ответов (просто используйте MLCC), но я бы добавил, что для высокочастотной развязки вы должны использовать тесно связанные (то есть без сердечника между) слои напряжения питания и земли. Сделайте их перекрывающуюся зону максимально удобной и расположите несколько переходных отверстий как можно ближе к контактам питания / заземления ИС. Это лучший способ получить действительно высокочастотную развязку. Затем поместите конденсаторы MLCC как можно ближе к этим переходным отверстиям. Избегайте нескольких значений конденсаторов и используйте несколько идентичных конденсаторов, если одного недостаточно. Риск использования, например, 10n, 100n, 1u параллельно - это пики резонансного импеданса.

Это выше даст вам самый низкий общий импеданс для вашей развязки.

Кроме того, вы должны избегать ферритовых шариков для цифровых интегральных схем, но это, конечно, подразумевается выше.

Иаков
источник