Bisakah kapasitor decoupling terlalu besar?

19

Untuk proyek saya yang mengandung ATtiny85 yang berjalan pada 32,768 kHz menggunakan kristal jam eksternal saya pikir saya akan menyertakan kapasitor decoupling 1 uF dekat pin daya MCU untuk ukuran yang baik. Namun, membaca tentang itu tampaknya kebanyakan orang merekomendasikan kapasitor 0,1 uF. Dapatkah menggunakan batasan nilai terlalu besar (mis. 1 uF) membahayakan atau apakah ini akan berfungsi dengan baik?

microcontroller decoupling David Högberg
sumber
Saya akan membayangkan bahwa kapasitor yang lebih besar akan membuat induktansi yang lebih besar, tetapi saya tidak tahu apa salahnya, selain dari mendorong paket daya ke sumber tegangan Anda (jumlah yang sangat kecil, tetapi masih). selama jenis kapasitor konstan, saya tidak tahu banyak yang akan berubah.
15
Ini bukan nilai kapasitansi yang lebih besar yang akan menyebabkan masalah, tetapi kemungkinan tutup kapasitas Anda yang lebih besar juga memiliki ESR atau ESL yang lebih besar. Perlawanan yang berlebihan dan / atau induktansi dalam tutup itu sendiri akan mencegahnya menjadi efektif pada decoupling.
brhans

Jawaban:

23

Jenis ini lebih penting daripada nilainya - jika ini merupakan bagian yang dipasang di permukaan yang bertubuh kecil (mis. 0805 atau lebih kecil), tidak ada kerugian untuk kapasitor dengan nilai lebih besar.

Bandingkan dua kapasitor 0603 X7R Murata yang serupa di bawah ini (yang teratas adalah 1uF terbawah adalah 100nF):

masukkan deskripsi gambar di sini

Jika Anda melihat beberapa impedansi yang masuk akal seperti 1 ohm, 1uF adalah <1 ohm untuk 250kHz hingga 600MHz dan 100nF dari sekitar 1,8MHz hingga 400MHz, sehingga 1uF lebih baik di mana-mana (regulator yang baik akan mengisi frekuensi yang lebih rendah, dan chip yang lamban seperti ATtiny tidak akan membuat sisi dengan konten frekuensi yang lebih tinggi untuk dikhawatirkan) jadi keduanya mungkin baik-baik saja.

Anda harus masuk ke situs web pembuat topi dan mengunduh perangkat lunak atau menggunakan program berbasis web untuk mendapatkan perilaku yang sebenarnya, biasanya dihilangkan dari lembar data dalam kejayaan penuh karena terlalu banyak kemungkinan. Perhatikan bahwa kapasitansi 1uF sebenarnya akan lebih sedikit karena tegangan bias yang saya tidak repot-repot mengatur (itu hanya contoh) tetapi Anda harus.

Spehro Pefhany
sumber
2
Di atas frekuensi resonansi diri (yang merupakan bagian bawah celup) kapasitor benar-benar terlihat dan berperilaku seperti induktor.
cepat_now
2
EEVblog pada subjek
Zac Crites
Penjelasan yang sangat bagus. Juga menunjukkan mengapa beberapa kalimat di sini tidak cukup untuk menjelaskannya ... video berdurasi setengah jam berhasil.
quick_now
Grafik yang menunjukkan besarnya impedansi tanpa memisahkan komponen resistif dan reaktif tidak menurut saya sangat membantu, karena komponen reaktif dengan tanda berlawanan dapat membatalkan satu sama lain.
supercat
3
@supercat Grafik ini menunjukkan kepada Anda total impedansi termasuk komponen resistif dan reaktif. Kemiringan ke komponen resistif 10-20m ohm menunjukkan kepada Anda frekuensi resonan-diri di mana komponen reaktif dibatalkan. Jika ada arus riak maka kita lebih peduli tentang besarnya perubahan tegangan daripada fase, bukan?
Spehro Pefhany
11

Pada 32.768kHz, jawabannya adalah kapasitor yang lebih besar (1uF Anda) harus baik-baik saja.

Pada frekuensi tinggi (lebih akurat, laju transisi cepat pada pin perangkat), kapasitor yang lebih kecil diperlukan untuk memberikan impedansi rendah pada laju tepi ini (untuk mencegah daya droop internal), meskipun pada laju tepi yang sangat cepat, kapasitor beroperasi di atas sendiri resonansi pula.

Kami biasanya menyediakan kapasitor bypass massal (beberapa uF) di suatu tempat dekat, dengan perangkat nilai yang lebih kecil sedekat mungkin dengan pin daya perangkat.

Lihat jawaban ini untuk detail lebih lanjut tentang resonansi diri MLCC.

Peter Smith
sumber
4
Saya akan mengatakan laju transisi jauh lebih penting daripada laju jam ... Jika transisi logika MCU mengikuti pulsa clock terjadi dengan cepat (dan mereka melakukannya, tiny85 dapat berjalan pada 4-20MHz, tergantung pada tegangan), Anda akan dapatkan noise multi-MHz. Bahkan jika transisi seperti itu hanya terjadi relatif jarang.
marcelm
Saya tidak repot-repot mendapatkan model IBIS untuk perangkat yang akan menginformasikannya.
Peter Smith
Dalam paket dan tipe dielektrik yang sama, kapasitor yang lebih besar akan memiliki impedansi yang lebih rendah di semua frekuensi yang diinginkan. Jadi 1.0 lebih baik dari 0,1 cukup banyak terlepas dari frekuensi. Setidaknya hingga GHz.
mkeith
6

Anda mungkin ingin membaca tentang kebocoran arus.

Jika Anda menjalankannya pada kristal jam 32,768 kHz, kemungkinan besar Anda sangat peduli dengan konsumsi rata-rata jangka panjang saat ini.

Dalam penelitian saya yang sangat terbatas, arus bocor secara umum lebih tinggi pada kapasitor yang lebih besar, meskipun sebagian besar tampaknya berkaitan dengan teknologi konstruksi yang sebenarnya.

Pencarian cepat untuk angka aktual membawa saya ke artikel ini oleh muRata dengan beberapa petunjuk. Ini menunjukkan bahwa arus bocor meningkat oleh kapasitansi, tetapi hanya mencantumkan nilai untuk kapasitor 1 μF.

Hanya Anda yang bisa menjawab jika jumlah kecil masalah saat ini atau tidak, dan Anda harus mencari nilai yang lebih representatif untuk jenis kapasitor spesifik Anda. Ini mungkin lebih penting untuk aplikasi supercapacitor daripada aplikasi bertenaga baterai.

pipa
sumber
5

Perbedaan harga antara kapasitor besar yang dapat memasok sejumlah biaya secepat tutup yang lebih kecil, dan kapasitor besar dengan kinerja yang lebih rendah, sering kali akan melebihi biaya tutup yang lebih kecil. Dengan demikian, menggunakan tutup yang lebih kecil bersama dengan tutup yang lebih kecil lebih tinggi biasanya akan memungkinkan seseorang untuk mencapai kinerja yang lebih baik dengan harga lebih rendah daripada menggunakan satu tutup. Mencoba untuk membuat karena dengan satu tutup besar akan sering menyiratkan bahwa seseorang akan memiliki kinerja frekuensi tinggi yang lebih rendah atau menghabiskan lebih dari yang seharusnya.

Adapun apakah jumlah total kapasitansi bisa terlalu besar, itu adalah fungsi dari catu daya. Topi dengan resistansi seri rendah pada dasarnya akan menyerap semua arus yang dapat diperolehnya sampai diisi. Jika seseorang menghubungkan sekelompok topi berjumlah 1000uF ke pasokan yang saat ini terbatas pada 10mA, maka akan membutuhkan 300ms detik untuk rel daya perangkat untuk mencapai tiga volt, dan selama waktu itu tutupnya akan menarik 10mA penuh. Namun, jika suplai dapat menghasilkan 1A tanpa kesulitan, maka penutup akan mengisi ke tegangan penuh hanya dalam 3ms daripada 300.

Perhatikan juga bahwa jika suatu perangkat (atau subsistem dengan tutup saringannya sendiri) akan sering dinyalakan, digunakan secara singkat, dan kemudian dimatikan cukup lama untuk tutupnya dibuang, maka semua energi yang digunakan untuk menyalakan tutup akan pada dasarnya terbuang saat perangkat atau subsistem dimatikan. Menggandakan ukuran tutup filter akan menggandakan jumlah pemborosan.

supercat
sumber
4

Pikirkan ATtiny sebagai resistor variabel (beban dinamis). Semua catu daya dunia nyata memiliki resistansi sumber plus kawat ke perangkat, dan beberapa induktansi dari kawat dan PS. Jika ATtiny menarik lebih banyak arus karena lebih banyak transistor aktif (ini dapat terjadi dalam kerangka waktu ns), itu akan menyebabkan penurunan tegangan dari resistansi dan induktansi kawat, yang bisa jadi buruk. Jadi kapasitor filter ditempatkan untuk menjaga tegangan konstan, ATtiny akan menarik daya dari kapasitor untuk durasi pendek yang dibutuhkan.

R=V∗saya

Sekarang pikirkan jika Anda menempatkan kapasitor raksasa secara paralel dengan ATtiny, itu tidak akan jauh berbeda dari resistor kecil. Namun itu akan mempengaruhi waktu start up sirkuit. Jika Anda meletakkan kapasitor 1F yang sejajar dengan ATtiny, mungkin butuh beberapa menit untuk mengisi daya, tergantung pada persediaan Anda! 1uF harus baik-baik saja. Perlu diingat bahwa kapasitor juga memiliki resistansi seri yang tidak dipertimbangkan dalam model sederhana ini.

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Lonjakan tegangan
sumber
3

Secara umum, batas nilai yang lebih kecil ada karena memiliki frekuensi resonansi diri yang lebih tinggi. Pada frekuensi di bawahnya, kelihatannya seperti topi. Di atas, sepertinya induktor.

Jangan tertipu oleh grafik impedansi yang hanya menunjukkan impedansi tetapi tidak seperti apa impedansi itu.

Pikirkan tutup yang lebih besar adalah tangki untuk mengisi ulang muatan karena hal-hal seperti penarikan arus puncak, dan yang lebih kecil ada di sana untuk menyerap efek transisi pendek (pulsa arus) dan mencegah konduksi mereka ke seluruh rangkaian.

Ini tidak akurat, tetapi aturan praktis yang memadai.

ANDA DAPAT TERLALU BANYAK KAPASITAS. Namun, itu semua tergantung pada jenis catu daya. Dalam jembatan dioda kuno dan catu daya tutup smoothing, semakin besar kapasitansi yang Anda miliki, semakin pendek sudut konduksi dioda saat meralat hantaran listrik. Sudut konduksi pendek pada gilirannya menyebabkan arus puncak yang lebih besar (karena rata-rata tetap sama, puncak harus lebih tinggi ketika arus mengalir untuk waktu yang lebih singkat). Efeknya adalah Anda dapat melampaui peringkat arus puncak pada dioda dan memasaknya.

Hari-hari ini dengan konverter mode switch modern, hal seperti itu sangat jarang dan umumnya sesuatu yang Anda tidak perlu khawatir.

Khususnya dengan sesuatu seperti runnig ATTiny pada beberapa kHz dari kristal arloji Anda tidak perlu khawatir. (ARM berjalan pada 1 GHz akan menjadi masalah yang berbeda dan jauh lebih peduli dan perhatian akan dibenarkan).

dengan cepat_now
sumber
Jenis impedansi tidak masalah. Lebih rendah lebih rendah.
mkeith
Jika kapasitor terlihat seperti induktor maka sementara itu mungkin memiliki impedansi rendah, sepertinya induktor bernilai rendah. Dalam istilah ac, itu masih memblokir, terutama ketika di atas beberapa ohm. Secara teknis Anda benar, dalam operasi praktek di atas frekuensi resonansi diri adalah sesuatu yang harus diwaspadai. (Juga pada umumnya topi MLCC modern memiliki SRF yang cukup tinggi sehingga tidak banyak masalah dalam sebagian besar desain modern dalam kasus apa pun.)
quick_now
@mkeith: Jika impedansi induktif murni dan impedansi kapasitif murni ditempatkan secara paralel, adalah mungkin untuk besarnya impedansi yang dihasilkan menjadi tinggi sewenang-wenang. Demikian juga, jika impedansi murni induktif dan kapasitif ditempatkan secara seri, impedansi yang dihasilkan mungkin rendah secara sewenang-wenang. Jika impedansi agak resistif, itu akan membatasi seberapa tinggi atau rendah impedansi kombinasi paralel atau seri, tetapi hasilnya masih bisa agak parah.
supercat
@ Supercat, saya pikir Anda mendapatkan agak jauh dari topik aktual yang memotong. Ada tradisi menggunakan berbagai nilai kapasitor karena kekhawatiran SRF. Saya percaya bahwa tradisi tidak sehat. Anda selalu mendapatkan bypass lebih banyak bahkan pada frekuensi yang lebih tinggi menggunakan kapasitor terbesar yang Anda bisa (dengan asumsi tipe dasar yang sama, tidak berubah menjadi tipe atau paket kapasitor yang sama sekali berbeda).
mkeith
Jika saya memiliki kapasitor murni kapasitif untuk ditempatkan secara paralel dengan kapasitor induktif X7R jelek saya, saya tidak akan menggunakan kapasitor induktif X7R jelek saya untuk memotong di tempat pertama. Itulah yang saya maksud ketika saya mengatakan Anda sudah jauh dari topik / pertanyaan yang sebenarnya.
mkeith