167. Конденсаторы в деталях: классы керамики, ESR и ESL, развязка, электролиты

Правило «100 нФ у каждого вывода питания» дано в разделах 53 и 61, RC-цепи — в разделе 50, выходной конденсатор стабилизатора — в 55. Здесь — почему правило именно такое и где оно ломается: керамика теряет ёмкость с температурой и напряжением, у любого конденсатора есть сопротивление и индуктивность, а на фронтах в наносекунды решает не ёмкость, а то, как конденсатор припаян.

Все числа ниже — модели ngspice и расчёт по определениям классов.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
dielectric class (C0G / NP0, X7R, X5R, Y5V)	класс диэлектрика керамики
temperature characteristic	температурная характеристика
DC bias characteristic	зависимость ёмкости от постоянного напряжения
equivalent series resistance (ESR)	эквивалентное последовательное сопротивление
equivalent series inductance (ESL)	эквивалентная последовательная индуктивность
self-resonant frequency (SRF)	частота собственного резонанса
anti-resonance	антирезонанс (параллельный резонанс)
decoupling / bypass capacitor	развязывающий конденсатор
bulk capacitor	накопительный конденсатор
mounting inductance	индуктивность монтажа
endurance / load life	срок службы под нагрузкой
ripple current	допустимый ток пульсаций
voltage derating	запас по напряжению

167.1 Какие бывают конденсаторы

167.2 Классы керамики и температура

Класс керамики — это не материал «на глаз», а обещанное изменение ёмкости в диапазоне температур:

Что это значит для фильтра 10 кОм / 10 нФ перед АЦП (срез 1,59 кГц), в худшей точке класса:

Y5V превращает фильтр 1,59 кГц в фильтр 8,84 кГц — в 5,6 раза шире полоса, и шум из раздела 165 проходит в АЦП. Во времязадающих и фильтрующих цепях — только C0G; X7R — для развязки, где точная ёмкость не важна.

167.3 Постоянное напряжение съедает ёмкость

Керамика X7R и X5R теряет ёмкость не только с температурой, но и с постоянным напряжением на ней — и в таблице параметров об этом обычно ни строчки: зависимость дают отдельным графиком. Чем мельче корпус и чем ближе рабочее напряжение к номинальному, тем больше потеря: «10 мкФ» в маленьком корпусе на шине 5 В может оказаться несколькими микрофарадами.

Практика: - смотреть график зависимости от напряжения у конкретной позиции, а не номинал на ленте; - для заданной ёмкости брать корпус крупнее или номинальное напряжение выше — потеря меньше; - если стабилизатору нужна минимальная ёмкость на выходе (раздел 55.7), проверять её при рабочем напряжении и холодной и горячей плате.

У C0G этой зависимости нет — ещё одна причина ставить её в фильтры.

167.4 Реальный конденсатор: ESR, ESL и собственный резонанс

У любого конденсатора последовательно с ёмкостью есть сопротивление (ESR) и индуктивность выводов и пластин (ESL). Ниже частоты собственного резонанса f = 1 / (2π · √(ESL · C)) он ведёт себя как ёмкость, на ней — как один ESR, выше — как индуктивность.

Выше 19 МГц «большой» 10 мкФ и «маленький» 100 нФ — одинаковые индуктивности около наногенри: ёмкость уже ничего не решает.

Параллельно — антирезонанс. 100 нФ и 10 мкФ рядом: между их резонансами 10 мкФ уже индуктивность, а 100 нФ ещё ёмкость, и вместе они образуют параллельный контур. На 12,2 МГц импеданс пары поднимается до 0,24 Ом — втрое выше, чем у каждого конденсатора по отдельности на этой частоте (0,08 Ом). Лечится потерями: накопительный конденсатор с ESR побольше или несколько номиналов, чтобы пики не совпадали с частотами тактирования.

167.5 Развязка: решает индуктивность монтажа

Ядро МК берёт ток импульсами на фронтах тактового сигнала. Модель: стабилизатор 3,3 В за дорожкой 10 нГн и 50 мОм, импульс тока 100 мА с фронтом 1 нс:

Без конденсатора провал — L · di/dt = 10 нГн · 100 мА / 1 нс = 1 В: дорожка к стабилизатору на наносекундах — не провод. С конденсатором у вывода провал в 9 раз меньше, но тот же конденсатор, припаянный через длинную дорожку и переходное отверстие, работает втрое хуже. А 10 мкФ здесь хуже потому, что взят в корпусе 0805 с 1 нГн против 0,7 нГн у 0603. Индуктивность задают размер корпуса и монтаж, а не ёмкость: 10 мкФ в том же 0603 и с тем же монтажом даёт 108 мВ — не хуже 100 нФ.

Отсюда правила разводки из раздела 130: конденсатор — у самого вывода, сначала конденсатор, потом переходное отверстие к слою питания, земля конденсатора — сразу в слой земли своим отверстием.

167.6 Электролиты и танталы: срок и запас

Электролит высыхает. Срок службы в документации дают при предельной температуре, и он удваивается на каждые 10 °C ниже. Конденсатор на 2000 ч при 105 °C:

Поставленный рядом с горячим стабилизатором, он проживёт в разы меньше, чем в холодном углу платы. Выходит из строя постепенно: ёмкость падает, ESR растёт, пульсации растут — устройство начинает сбоить задолго до «взрыва».

Тантал требует запаса по напряжению. Отказ тантала — короткое замыкание, часто с возгоранием, от броска тока при включении. Обычная практика — рабочее напряжение не выше половины номинального: на шину 3,3 В — конденсатор на 6,6 В и выше, то есть из стандартного ряда 10 В. Это правило — для классического тантала с диоксидом марганца. Полимерный тантал допускает куда меньший запас (по документации серии) и отказывает мягче, без возгорания.

167.7 Грабли

Фильтр АЦП «поплыл» в тепле. Конденсатор Y5V или X7R в фильтре — C0G.

Стабилизатор возбуждается, хотя ёмкость на выходе по документации. Керамика при рабочем напряжении теряет ёмкость; проверять по графику зависимости от напряжения.

Помеха на частоте в десяток мегагерц, хотя конденсаторов много. Антирезонанс пары конденсаторов разных номиналов — развести номиналы или добавить потерь.

Сбои при переключении выводов, 100 нФ стоит. Стоит далеко или через длинную дорожку: индуктивность монтажа съела развязку.

«Поставили 10 мкФ в крупном корпусе — стало хуже». Больше индуктивность корпуса; на наносекундах решает она, а не ёмкость.

Устройство через год-два начало перезагружаться. Высох электролит рядом с горячей деталью: ESR вырос, пульсации питания тоже.

Танталовый конденсатор сгорел при включении. Нет запаса по напряжению или бросок тока без ограничения.

167.8 Итоги

• Классы керамики: C0G — 0 ± 30 ppm/°C, X7R — ±15 %, Y5V — до −82 %; фильтр 10 кОм / 10 нФ на Y5V уходит с 1,59 кГц на 8,84 кГц.
• Керамика X7R/X5R теряет ёмкость с постоянным напряжением — смотреть график.
• Собственный резонанс: 100 нФ 0603 — 19,0 МГц, 10 мкФ 0805 — 1,59 МГц; выше — индуктивность. Параллельная пара даёт антирезонанс 0,24 Ом на 12,2 МГц.
• Импульс 100 мА с фронтом 1 нс: без развязки провал 1005 мВ, 100 нФ у вывода — 109 мВ, тот же через 5 нГн — 365 мВ, 10 мкФ — 132 мВ, а в корпусе 0603 — 108 мВ: индуктивность задаёт корпус, а не номинал.
• Электролит на 2000 ч при 105 °C живёт 3,7 года при 65 °C и 14,6 года при 45 °C; тантал — не выше половины номинала.

Дальше: раздел 168 «Катушки, дроссели и ферриты».