Электрическая «загадка» питания: зачем в схемах нужны два конденсатора разной ёмкости подключённые параллельно?

Любой, кто хоть раз заглядывал внутрь электронного
устройства, особенно современного, наверняка замечал рядом на плате компоненты
питания — обычно это пара конденсаторов, один из которых заметно больше
другого. Это может показаться странным: зачем ставить маленький конденсатор
(скажем, на сотые доли микрофарада) подключенный параллельно ёмкому
электролитическому конденсатору (на сотни или тысячи микрофарад)? Разве большая
ёмкость не должна полностью закрыть все потребности в фильтрации? Вопрос не
праздный, и ответ на него кроется в фундаментальных принципах работы электронных
компонентов на разных частотах. На самом деле, эта пара — тщательно выверенное
решение, обеспечивающее стабильность и надежность всей схемы.

Невидимые угрозы на линии питания

Идеальная линия питания должна представлять собой чистый,
стабильный уровень напряжения. В реальности же по питанию постоянно
«гуляют» нежелательные сигналы. Источниками этих помех и пульсаций
могут быть:

• Сам источник питания: особенно импульсные преобразователи,
  которые создают высокочастотные «зубцы» и шумы при своей работе.

• Внешние наводки: помехи, приходящие по проводам извне.

• Сама электронная схема: цифровые микросхемы при переключении
  логических состояний, силовые ключи при коммутации нагрузок — все это создает
  короткие, резкие импульсы тока по линии питания, которые моментально
  превращаются в скачки напряжения из-за ненужных сопротивлений и индуктивностей
  на плате.

Эти нестабильности крайне вредны. Для чувствительных
аналоговых цепей они могут вызывать искажения сигналов. Для быстродействующей
цифровой логики — приводить к сбоям, ложным срабатываниям или рассинхронизации.
Задача фильтрующих конденсаторов — нейтрализовать эти нежелательные колебания,
обеспечив «чистый горизонт» напряжения для всех компонентов.

Конденсатор в цепи питания: не только ёмкость

Основная функция конденсатора в цепи питания — обеспечить
низкое сопротивление (точнее, низкий импеданс) для переменных составляющих
напряжения (пульсаций и помех), «закорачивая» их на общий провод
(землю). Чем ниже импеданс конденсатора на данной частоте, тем лучше он
справляется с фильтрацией на этой частоте.

Нам привычно думать о конденсаторе только как о накопителе
заряда, характеризующемся ёмкостью. И для низких частот, например, для
сглаживания крупномасштабных пульсаций после выпрямителя (с частотой 50/100 Гц
или частотой работы импульсного преобразователя — от десятков до сотен кГц),
большая ёмкость действительно наиболее важна. Конденсатор большой ёмкости
эффективно накапливает и отдает энергию, компенсируя провалы напряжения.

Однако, как любой реальный компонент, конденсатор обладает
паразитными параметрами. Два наиболее значимых для высокочастотной фильтрации —
это:

• Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL).
  Индуктивность, которая присущая выводам конденсатора, внутренним соединениям и
  самим обкладкам (скрученная или свернутая структура обкладок электролитов,
  например, создает заметную индуктивность).

Проблема в том, что индуктивное сопротивление растёт прямо
пропорционально частоте. Если на низких частотах индуктивность конденсатора
почти не оказывает влияния на его импеданс, то с ростом частоты вклад ESL
становится все более существенным. Наступает момент, когда реактивное
сопротивление индуктивности сравнивается с реактивным сопротивлением ёмкости
(точка резонанса), а затем начинает его превосходить. Выше этой резонансной
частоты импеданс реального конденсатора начинает растёт с частотой, ведя себя
уже не как конденсатор, а как индуктивность! Он перестает эффективно
«закорачивать» высокочастотные помехи.

Почему большие конденсаторы плохи на высоких частотах

Как правило, чем больше номинальная ёмкость конденсатора,
тем больше его физический размер. Связано это с необходимостью разместить
большую площадь обкладок. У больших конденсаторов (особенно электролитических)
обычно длиннее выводы и более массивная или свернутая внутренняя конструкция.
Все это приводит к закономерно более высоким значениям ESR и, что критично для
высоких частот, более высокому ESL.

Таким образом, большой электролитический конденсатор на
тысячи микрофарад — это превосходный «фильтр» для низкочастотных
пульсаций, где доминирует его большая ёмкость, а влияние ESL минимально. Но
против быстрых, высокочастотных импульсных помех, частота которых достигает
десятков и сотен мегагерц, он практически бессилен. Его собственный высокий ESL
превращает его на этих частотах почти в разрыв цепи, а не в короткое замыкание
для помехи.

Союз большого и маленького

Здесь на сцену выходят маленькие конденсаторы, как правило,
керамические, часто в компактных SMD-корпусах. Керамические конденсаторы,
особенно в малых номиналах (от единиц нанофарад до единиц микрофарад), имеют
совершенно иную внутреннюю конструкцию и очень короткие выводы (или их полное
отсутствие в SMD варианте). Это обеспечивает им чрезвычайно низкие значения ESR
и, что самое важное, ESL.

Такой «малыш» обладает относительно небольшой
ёмкостью, и сам по себе он не сможет эффективно сглаживать низкочастотную
пульсацию от источника питания. Но его низкий ESL означает, что он сохраняет
свое «конденсаторное» поведение (низкий импеданс) до очень высоких
частот — единиц и даже десятков мегагерц и выше. Именно он становится
эффективным «охотником» за быстрыми, высокочастотными помехами,
которые большой конденсатор просто «не видит».

При параллельном соединении большого и маленького
конденсаторов создаётся своего рода широкополосный фильтр. Большой конденсатор
эффективно работает на низких частотах, сглаживая основные пульсации. Маленький
конденсатор берет на себя «удар» высокочастотных помех и шумов.
Вместе они обеспечивают гораздо более стабильное и чистое напряжение питания во
всем необходимом рабочем диапазоне частот схемы. Иногда добавляют конденсаторы
и промежуточных номиналов (например, на микрофарады), чтобы еще плотнее
«покрыть» весь спектр нежелательных частот.

Локальное развязывание

Практика построения надежных электронных схем, особенно с
быстродействующими цифровыми компонентами, диктует еще одно правило: размещать
фильтрующие (развязывающие) конденсаторы не только на общей линии питания, но и
непосредственно возле выводов питания каждой микросхемы, которая может
генерировать или быть чувствительной к высокочастотным помехам (например, возле
цифровых процессоров, микроконтроллеров, логических элементов, высокоскоростных
буферов).

Почему так? Как уже говорилось, любая даже короткая дорожка
на печатной плате обладает небольшой индуктивностью. Когда микросхема быстро
переключает свои внутренние состояния (например, меняет выход с низкого на
высокий логический уровень), она потребляет очень короткий, но значительный
импульс тока из линии питания. Этот импульс тока, проходя через индуктивность
дорожки между общим фильтрующим конденсатором и самой микросхемой, создает на
этой дорожке скачок напряжения. И этот скачок «проседает» на выводах
питания самой микросхемы, вызывая локальную нестабильность.

Конденсатор, расположенный максимально близко к выводам
питания микросхемы (с самыми короткими возможными дорожками), служит своего
рода локальным «резервуаром» энергии и «ловушкой» для
высокочастотного шума, создаваемого самой микросхемой. Он моментально
компенсирует этот быстрый импульс тока, минимизируя просадку напряжения
непосредственно на выводах микросхемы. Важность минимальной длины дорожек
питания и земли от выводов микросхемы до такого «развязывающего»
конденсатора невозможно переоценить — даже миллиметры индуктивности могут
сильно ухудшить эффективность фильтрации на высоких частотах. Именно поэтому на
платах возле каждой цифровой микросхемы часто можно увидеть маленькие
керамические конденсаторы, буквально «прижатые» к ее корпусу.

Более того, иногда ставят несколько маленьких конденсаторов
параллельно возле одного компонента (даже если их суммарная ёмкость равна
одному конденсатору большего размера). Это делается для того, чтобы
использовать эффект параллельного соединения индуктивностей: общая
индуктивность нескольких параллельно соединенных проводников или компонентов
ниже, чем индуктивность одного проводника или компонента. Несколько
параллельных керамических конденсаторов имеют меньший суммарный ESL, чем один
конденсатор равной суммарной ёмкости, что обеспечивает еще лучшую фильтрацию на
очень высоких частотах.

В сухом остатке

Использование конденсаторов разной ёмкости, расположенных
как на общей линии питания, так и локально возле потребляющих компонентов, —
это не прихоть разработчика и не перестраховка. Это результат глубокого
понимания физики работы реальных электронных компонентов и необходимости
обеспечить целостность питания (power integrity) — то есть стабильность
напряжения в каждой точке схемы, особенно в условиях быстрого переключения и
наличия высокочастотных помех.

Большой конденсатор решает задачи низкочастотного
сглаживания пульсаций от источника. Маленький — борется с высокочастотным шумом
и помехами, генерируемыми как источником, так и самой схемой. Вместе они
создают эффективную систему фильтрации, работающую в широком диапазоне частот,
что является одним из краеугольных камней при проектировании любой надежной и
корректно функционирующей электронной схемы в современном мире.