El ruido del sistema es un problema común que enfrentan todos los dispositivos digitales hoy en día. La tendencia continua hacia interfaces más rápidas y un menor consumo de energía ha dado lugar a dispositivos cada vez más susceptibles a perturbaciones de las líneas eléctricas y de señal.
Afortunadamente, este ruido se puede reducir mediante el uso de desacoplamiento para aislar los circuitos localizados de otros circuitos en un sistema.
¿Qué es un capacitor de desacoplamiento?
Los capacitores de desacoplamiento ayudan a aislar o desacoplar los circuitos locales del ruido y las anomalías de energía de otros dispositivos en redes compartidas de energía, redes con conexión a tierra y otras. Generalmente se aplican a fuentes de energía para proporcionar una fuente localizada de corriente instantánea y proporcionar aislamiento del circuito local del ruido de energía en otras áreas del diseño.
Este acceso localizado es necesario porque todos los sistemas de distribución de energía tienen una impedancia e inductancia reales que impiden el suministro verdaderamente instantáneo de corriente. Cuando se producen grandes cargas conmutadas, el consumo de corriente puede causar caídas en el suministro de tensión y zumbido, lo que puede infringir las condiciones de tensión del circuito requeridas o generar señales falsas.
Capacitores de derivación y capacitores de desacoplamiento
Al analizar los capacitores de desacoplamiento, es importante comprender las diferencias entre los capacitores de desacoplamiento, los capacitores de derivación y los capacitores de acoplamiento.
Los capacitores de derivación se utilizan para proporcionar una derivación de impedancia baja para el ruido de alta frecuencia en rutas de impedancia alta y, en muchos casos, también se los conoce como capacitores de desacoplamiento, ya que permiten garantizar que el ruido de mayor frecuencia se minimice antes de que tenga la posibilidad de propagarse a otras partes del circuito donde podría causar un mal funcionamiento del circuito o problemas con la contención de la EMI generada por el diseño.
Los capacitores de acoplamiento, por otro lado, proporcionan aislamiento de CC al tiempo que crean una ruta intencional para audio, video, RF y datos digitales de alta velocidad. Los capacitores de acoplamiento a menudo se encuentran en interfaces de alta velocidad para garantizar que cualquier diferencia de potencial de CC en los dispositivos conectados no se manifieste como corrientes a tierra entre los dispositivos.
¿Cómo funcionan los capacitores de desacoplamiento?
Los capacitores de desacoplamiento se utilizan para contrarrestar perturbaciones de muchas fuentes diferentes. Los buses de datos y lógica conmutados sincrónicamente pueden generar grandes flujos de corriente instantánea que consumen una carga significativa del sistema de suministro de energía (PDS) local. Cuando se producen estas cargas instantáneas, la inductancia en los PDS impide que el suministro de alimentación en el diseño entregue instantáneamente corriente adicional a la carga, y esto puede provocar que la tensión de suministro local disminuya o genere zumbidos.
Los capacitores de desacoplamiento ayudan a proporcionar una fuente de carga instantánea local que evita que la fuente de tensión caiga, además de una ruta de derivación que amortigua los zumbidos. El ruido en el PDS también se amortigua localmente, lo que ayuda a que el circuito local no se vea afectado por la ondulación en el plano de potencia que de otra manera podría perturbar el circuito. Este efecto también se extiende al ruido de otras partes del diseño cuando experimentan consumos de corriente instantáneos. No solo sus propios capacitores de desacoplamiento proporcionan estabilización local del suministro de tensión, sino que cuando cualquier perturbación residual llega a otras partes del diseño, esta se reduce aún más mediante el desacoplamiento local en esa parte del circuito. Finalmente, los capacitores de derivación utilizados en funciones de desacoplamiento ayudan a desviar las rutas de retorno de alta frecuencia y evitan que fluyan entre áreas del circuito y provoquen potencialmente fallos en el circuito o problemas de EMI a nivel del sistema. Obtenga más información sobre la capacitancia de derivación y por qué es importante.
Guía de selección de capacitores de desacoplamiento
Si bien cualquier capacitor de desacoplamiento es posiblemente mejor que ninguno, se deben tener en cuenta varias pautas al implementar un esquema de desacoplamiento. Debido a que los capacitores deberán proporcionar corriente muy rápidamente, el primer aspecto y el más importante es elegir capacitores con baja resistencia en serie equivalente (ESR), que suma la impedancia característica con cualquier impedancia relacionada con la inductancia. Los capacitores cerámicos se utilizan normalmente para aplicaciones de desacoplamiento debido a su amplia tolerancia a la temperatura, capacidad para soportar amplios rangos de tensión, baja ESR, estabilidad y confiabilidad. Sin embargo, la construcción del capacitor es tan importante como el tamaño del paquete, ya que los beneficios inherentes de la química del capacitor pueden verse rápidamente compensados por la inductancia adicional de un paquete de mayor tamaño.
El paquete más pequeño disponible que cumpla con los parámetros de diseño suele ser la mejor opción, aunque pueden estar disponibles paquetes de capacitores de desacoplamiento y derivación especializados que reduzcan aún más la inductancia. Los paquetes más pequeños también tienen el beneficio de reducir el tamaño del bucle del circuito del capacitor, y esto minimiza aún más la inductancia de cada capacitor de desacoplamiento.
Cómo mejorar los capacitores entre el suministro y la conexión a tierra
Otras formas de optimizar la funcionalidad de los capacitores de desacoplamiento consisten en garantizar que los planos de alimentación y tierra sean continuos y adyacentes, asegurándose de que los capacitores estén montados lo más cerca posible de los pines de alimentación y tierra de los circuitos integrados. Esto permitirá que las rutas del circuito hacia los planos de alimentación y tierra sean lo más cortas posible y que las vías se enruten entre las almohadillas del capacitor o junto a ellas. Los planos de alimentación y tierra adyacentes deben ubicarse simétricamente en el diseño, y debe minimizarse el número de capas entre los planos y los capacitores de desacoplamiento. Si es posible, los capacitores también deben distribuirse en el área que están desacoplando. Cuando esto no es posible y se utiliza un banco de capacitores, es mejor alternar su orientación para distribuir los puntos de conexión y evitar divisiones efectivas en el plano de tierra o de potencia desde múltiples vías adyacentes enrutadas a través del plano. La cantidad de capacitores a utilizar depende principalmente de la cantidad de pines de alimentación y tierra presentes en un área de circuito localizado o IC, así como de la cantidad de señales de E/S presentes. Los diseños con secciones analógicas y digitales pueden requerir que se gestionen el desacoplamiento y la derivación de segmentos de un circuito o IC.
Los dispositivos digitales actuales pueden enfrentar desafíos importantes a la hora de mantener un suministro de energía estable y silencioso en presencia de cargas conmutadas y otras fuentes de ruido del sistema. Con el uso adecuado de capacitores de potencia a granel y capacitores de derivación en un esquema de desacoplamiento integrado, los diseñadores pueden garantizar que los problemas asociados con el ruido de potencia dentro del sistema y otras fuentes de ruido se mitiguen adecuadamente y que sus productos funcionen según lo diseñado.
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