L'intégrité du signal et de l'alimentation sont les meilleurs indicateurs d'un produit électronique performant. Atteindre un niveau élevé d'intégrité commence par la compréhension des composants électroniques critiques. Par conséquent, un bon concepteur et ingénieur électronique doit posséder une connaissance exemplaire du choix et de la spécification des composants électroniques, ainsi que du rôle de chacun d'eux dans un circuit.
Un de ces composants électroniques est le condensateur. Les condensateurs, notamment ceux utilisés pour le filtrage CA, jouent un rôle essentiel et existent en différents types. Cet article se concentre sur les condensateurs de découplage : leur nature, leur comparaison avec les condensateurs de couplage et de dérivation, leur sélection et leur emplacement, et enfin, leur utilisation.
Qu'est-ce qu'un condensateur de découplage ?
Principes fondamentaux des condensateurs de découplage
Un condensateur de découplage est un composant électronique passif qui filtre les tensions continues et lisse leur flux dans un circuit électronique. Il sert de banc de tension, évitant ainsi les fluctuations de puissance lorsque la demande du circuit augmente. Les condensateurs sont toujours placés à proximité des entrées d'alimentation des appareils électroniques tels que les microcontrôleurs.
· Les condensateurs de découplage stockent l'énergie libérée immédiatement après que le circuit l'a requise, assurant ainsi un flux constant.
· Ils fonctionnent comme un court-circuit, protégeant les composants sensibles.
· Chaque concepteur et ingénieur devrait être en mesure de choisir le bon condensateur de découplage pour garantir une meilleure réduction du bruit.
· Avant de sélectionner le condensateur, vérifiez son ESL, son ESR et sa capacité pour des performances optimales.
Figure 1: Condensateurs de découplage dans la carte de développement ESP32_WROOM_32E_N8 Alimentation d'entrée principale
Condensateurs de couplage et de découplage
Les condensateurs de couplage sont utilisés dans les lignes de signaux, contrairement aux condensateurs de découplage, utilisés entre les lignes électriques. Autrement dit, les condensateurs de découplage sont connectés en parallèle avec les signaux d'alimentation pour filtrer les signaux alternatifs. À l'inverse, les condensateurs de couplage sont connectés en série avec les signaux d'alimentation pour filtrer les signaux continus. On trouve des condensateurs de couplage et de découplage dans les circuits numériques et analogiques.
Figure 2: Couplage du condensateur en série avec les signaux du circuit
Vous trouverez ci-dessous une différence exhaustive entre les condensateurs de couplage et de découplage :
lampe de table 1: Tableau des différences entre les composants de couplage et de découplage
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Spécification
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Condensateur de couplage
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Condensateur de découplage
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Fonction
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Utilisé pour transférer les signaux CA et interdire les signaux CC
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Utilisé dans la stabilisation de tension et le filtrage du bruit
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Motif Placé
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Placé entre les lignes de signaux des circuits
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Il est placé entre l'alimentation du circuit et la charge électrique, à proximité de l'entrée d'alimentation de la charge.
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Application
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Circuits RF, signaux audio
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MCU, circuits intégrés, systèmes numériques
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Condensateurs de découplage et condensateurs de dérivation
Contrairement aux condensateurs de découplage, les condensateurs de dérivation sont utilisés dans les circuits électroniques pour contourner les interférences parasites en créant un chemin de faible impédance vers la masse du circuit. Les condensateurs protègent les performances du circuit en évitant les parasites haute fréquence.
Figure 3: Condensateur de dérivation dans les circuits
Les condensateurs de dérivation jouent les rôles de :
· Dérivation du bruit haute fréquence : Assurez-vous que les composants critiques sont protégés contre le bruit CA.
· Amélioration de l'intégrité du signal : le condensateur joue un rôle dans la prévention des interférences haute fréquence.
· Filtrage de la ligne d'alimentation : utilisé pour supprimer les ondulations et les transitoires non autorisés.
Les condensateurs de dérivation stabilisent la tension et suppriment les bruits alternatifs dans les circuits analogiques et les lignes d'alimentation. Ils garantissent également une alimentation propre, essentielle aux circuits RF, aux amplificateurs audio et aux capteurs.
Vous trouverez ci-dessous un tableau montrant les différences entre les condensateurs de dérivation et de découplage :
lampe de table 2: Comparaison entre les condensateurs de découplage et les condensateurs de dérivation
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Spécification
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Condensateur de découplage
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Condensateur de dérivation
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Fonction primaire
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Stabilisation de tension et isolation des sections du circuit. Réduction des chutes de tension et alimentation instantanée.
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Filtrage des bruits et interférences CA indésirables.
Fourniture de chemin à faible impédance.
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Application
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Microcontrôleurs, mémoire, processeurs et de nombreux autres circuits numériques.
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Circuits RF, circuits analogiques et lignes d'alimentation.
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Types de condensateurs
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Les condensateurs céramiques varient entre 0.1 uF et 10 uF, et les condensateurs électrolytiques varient entre 10 uF et 100 uF
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Les condensateurs céramiques ont une plage de puissance comprise entre 10 nF et 0.1 µF. Des condensateurs au tantale de la même plage sont parfois utilisés.
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Motif Placé
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Près des broches VCC et VDD des circuits intégrés.
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À travers les signaux et les lignes d'alimentation électrique.
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Effet principal
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Stabilisation du niveau de tension
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Filtrage des ondulations à haute fréquence.
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Pourquoi le découplage est-il nécessaire ?
L'électronique moderne nécessite des circuits assurant une alimentation électrique fiable et fiable. Sans un découplage adéquat, les performances des circuits peuvent être limitées par les fluctuations de puissance, les transitoires et le bruit.
Les condensateurs de découplage assurent l'intégrité de l'alimentation requise en gérant les variations de puissance inattendues, optimisant ainsi les performances du circuit. Voici les principales raisons pour lesquelles le découplage est important dans un circuit.
Intégrité de l'alimentation
Grâce aux condensateurs de découplage, les fluctuations de tension sont éliminées, garantissant ainsi que le circuit intégré reçoit suffisamment de puissance pour fonctionner.
Avec une faible intégrité de l'alimentation, les systèmes électroniques ont un comportement imprévisible. Un système d'alimentation bien conçu est doté de condensateurs de découplage bien sélectionnés. Ces condensateurs filtrent le bruit et les pics de tension, garantissant ainsi une alimentation régulière du circuit.
Sensibilité du CI
Les dernières technologies de circuits intégrés sont sensibles au bruit dans l'alimentation. Si les tensions ne sont pas correctement filtrées, le bruit du signal CA affecte le fonctionnement de ces circuits intégrés.
Placer des condensateurs de découplage à proximité des entrées du circuit intégré permet de supprimer efficacement les bruits alternatifs et transitoires potentiellement présents dans le circuit. Un découplage insuffisant entraîne une panne du courant alternatif, tandis qu'un découplage correct garantit une alimentation adéquate du courant alternatif, quelle que soit la charge.
Types de condensateurs de découplage
Les types courants de condensateurs de découplage sont les condensateurs électrolytiques, céramiques et céramiques multicouches :
Condensateurs électrolytiques
Un condensateur électrolytique est un type de condensateur de découplage constitué d'un film d'oxyde. Ce film utilise des métaux oxydables tels que le tantale et l'aluminium. Ce film oxydable constitue le diélectrique du condensateur.
Figure 4: Condensateur électrolytique
Les condensateurs électrolytiques peuvent stocker de grandes quantités d'énergie et sont utilisés dans les alimentations électriques. Il en existe deux principaux types : les électrolytes aqueux et les électrolytes solides. Les électrolytes humides comprennent les condensateurs à électrolyte en aluminium et en tantale, tandis que les électrolytes solides comprennent les condensateurs au dioxyde de manganèse, les semi-conducteurs organiques et les condensateurs électrolytiques à haut polymère conducteur.
Les condensateurs électrolytiques sont utilisés comme condensateurs de découplage en raison des caractéristiques suivantes :
· Grand, donc facile à remplacer en cas de défaut.
· Convient au filtrage du bruit basse fréquence
· Leur grande capacité les rend adaptés au stockage d’énergie en grande quantité.
Condensateurs en céramique
Les condensateurs céramiques sont les condensateurs de découplage les plus utilisés. Cela s'explique par leurs propriétés électriques avantageuses, notamment une capacité élevée, une faible résistance série équivalente (ESR), une faible résistance électrique de surface (ESL), une excellente stabilité en température et une large réponse en fréquence.
Lors de la sélection d'un condensateur céramique pour le découplage, tenez compte des facteurs suivants : valeur de capacité, type de capacité et valeur de tension.
Figure 5: Condensateurs en céramique
Condensateurs céramiques multicouches (MLCC)
Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont classés comme des condensateurs céramiques spéciaux. Leurs caractéristiques uniques incluent une petite taille, une grande capacité, une bonne stabilité de tension, un prix abordable et une grande flexibilité pour la production en série.
Ils sont utilisés comme condensateurs de découplage dans l'électronique grand public, l'armée, l'aérospatiale, l'électronique automobile, etc.
La structure d'un condensateur céramique multicouche est constituée de plusieurs couches de céramique empilées les unes sur les autres, entre lesquelles sont intercalées des électrodes métalliques conductrices. Il existe plusieurs types de condensateurs céramiques multicouches : les MLCC à usage général, les MLCC haute tension, les MLCC de qualité automobile et les MLCC certifiés pour la sécurité.
Les caractéristiques qui rendent les MLCC adaptés au découplage comprennent :
· Capacité élevée pour stocker suffisamment de charge.
· Faible ESR, donc capable de réagir rapidement aux changements de tension.
· Il est très fiable en raison de sa longue durée de vie et de sa faible probabilité de défaillance.
· Les performances haute fréquence leur permettent de fonctionner à très haute fréquence tout en maintenant les performances.
Figure 6: Condensateurs céramiques multicouches
Placement du condensateur de découplage
Pour garantir que les condensateurs de découplage offrent des performances optimales, vous devez savoir où placer vos condensateurs de découplage et prendre en compte les considérations importantes relatives à la disposition des circuits imprimés.
Stratégies de placement
· Le condensateur de découplage doit être placé aussi près que possible des broches d'alimentation d'entrée du circuit intégré pour garantir que la boucle d'inductance est minimale.
· N'utilisez pas un seul condensateur. Veillez à subdiviser la capacité totale en plusieurs capacités et à sélectionner les condensateurs. Cela garantit le filtrage des différentes fréquences.
· Pour une alimentation électrique uniforme, assurez-vous que les condensateurs sont répartis uniformément sur les circuits imprimés.
Figure 7: Condensateurs de découplage à capacité uniformément répartie STM32
Considérations sur la disposition des circuits imprimés
Lors du processus de conception du circuit imprimé des condensateurs de découplage, assurez-vous de prendre en compte les éléments suivants :
· Élargissez et raccourcissez vos pistes de signal. Cela réduit l'inductance et la résistance de puissance.
· Assurez-vous que votre PCB dispose d'un plan de masse solide, ce qui améliore le chemin de circulation du courant et le rend plus stable.
· Utiliser des techniques de placement. Cela améliore la connectivité de votre carte et minimise l'impédance des condensateurs.
Comment choisir la valeur d’un condensateur de découplage ?
Le choix du condensateur de découplage dépend du réseau de distribution d'énergie (PDN) et des caractéristiques d'impédance attendues. Le PDN peut être analogique ou numérique.
· Les condensateurs à faible ESR et à faible ESL sont préférés pour le PDN numérique. Des condensateurs de 0.1 uF à 1 uF sont placés près de la broche d'alimentation du circuit intégré pour filtrer le bruit haute fréquence.
Pour le bruit basse fréquence, des condensateurs de 10 à 100 uF sont utilisés, tandis que plusieurs condensateurs connectés en parallèle sont utilisés pour filtrer une gamme de fréquences plus large.
Les condensateurs sont placés très près des broches d'alimentation et près des points d'entrée si les condensateurs sont volumineux.
Pour les PDN analogiques, les condensateurs à faible ESR éliminent les oscillations indésirables. Les condensateurs de 1 µF à 10 µF filtrent le bruit basse fréquence, et ceux de 10 µF à 100 µF suppriment le bruit haute fréquence. Des condensateurs électrolytiques ou au tantale sont utilisés à cet effet.
Les condensateurs sont placés à proximité des broches d'alimentation et répartis le long des traces de signal d'alimentation pour éliminer les chutes de tension dans le circuit.
En fonction de l'impédance du PDN, l'objectif est de garantir une impédance très faible du fruit à toutes les fréquences, réduisant ainsi le bruit dans le circuit. Assurez-vous de calculer l'impédance cible et de sélectionner le condensateur le plus adapté.
Applications des condensateurs de découplage
Les condensateurs de découplage sont utilisés dans divers domaines de l'électronique moderne, notamment l'électronique grand public, l'électronique automobile et les systèmes numériques à haut débit.
Electronique
Utilisé dans les smartphones, les consoles de jeu et les ordinateurs portables pour maintenir un flux d'énergie stable.
Electronique automobile
Utilisé dans les calculateurs, les systèmes d'information et les ADA pour garantir la durabilité et un flux d'énergie fluide.
Systèmes numériques à grande vitesse
Les condensateurs de découplage sont utilisés pour construire des systèmes numériques à grande vitesse pour les systèmes embarqués des centres de données et le matériel réseau.
Conclusion
Cet article porte sur la compréhension des condensateurs de découplage. Choisir les bons condensateurs implique de les sélectionner en fonction de leur capacité nominale, de leur résistance série équivalente (ESR) et de leur résistance de décharge équivalente (ESL). Il est également important de comprendre les différents types de condensateurs et de les comparer entre eux.
Lorsqu'un concepteur ou un ingénieur est confronté à des problèmes d'intégrité de l'alimentation, il doit se concentrer sur le type de condensateur et ses caractéristiques nominales. Un bon choix de condensateur garantit une alimentation électrique stable et performante dans le circuit. De plus, comprendre comment choisir et placer un condensateur dans un circuit électronique est essentiel pour tout ingénieur. Les condensateurs de découplage doivent être utilisés au bon endroit et pour l'application appropriée.
