Sinn/Notwendigkeit der externen Kondensatoren beim ESP32-WROOM-32 Modul

[Joachim S. (oyo)]

Ich möchte ein ESP32-WROOM-32 Modul in einer Schaltung verwenden. Beim 
Überfliegen des Datenblatts dieses Moduls 
(https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-wroom-32_datasheet_en.pdf) 
ist mir ein Detail aufgefallen, das mich stutzig gemacht hat:

Auf Seite 14 des Datenblatts wird unter "7. Peripheral schematics" 
offenbar eine Art empfohlene externe Minimalbeschaltung gezeigt (-> 
siehe Anhang 1).
Dort sind zwei Kondensatoren zwischen der VDD33- und der GND-Leitung 
vorgesehen; C1 mit 10µF, C2 mit 100nF.
Was mich nun verwundert: Auf Seite 13 des Datenblatts wird unter "6. 
Schematics" die interne Schaltung dieses Moduls gezeigt (-> siehe Anhang 
2).
Und dort ist zu sehen, dass dieses Modul intern eh bereits eine ganze 
Latte von Kondensatoren zwischen der VDD33- und der GND-Leitung enthält:
- C3 mit 100pF
- C4 mit 100nF
- C9 mit 100nF
- C10 mit 100nF
- C11 mit 1µF
- C12 mit 10µF
- C13 mit 10µF
- C19 mit 100nF
- C20 mit 1µF

Ich weiss, dass es bei ICs sinnvoll ist, bei jedem IC einen 
100nF-"Abblockkondensator" in den Versorgungsleitungen vorzusehen, und 
zwar möglichst nah am Gehäuse. Zumindest grob glaube ich nach Lektüre 
von (https://rn-wissen.de/wiki/index.php/Abblockkondensator) auch deren 
Sinn zu verstehen.

Aber warum die beiden externen 10µF und 100nF-Kondensatoren bei einem 
kompletten Modul wie dem ESP32-WROOM-32, das intern bereits genau solche 
100nF und 10µF-Kondensatoren an genau den gleichen Leitungen enthält?

Ich würde gerne den Sinn dieser Kondensatoren besser verstehen, um 
besser einschätzen zu können, unter welchen Bedingungen sie 
nötig/sinnvoll sind. In einer anderen Schaltung habe ich den 
ESP32-WROOM-32 schon einmal verwendet, und dabei für das Modul keine 
solchen Kondensatoren verwendet, sondern nur einen einzigen, mit 100µF 
vergleichsweise dicken Stützkondensator, und bislang keine Probleme mit 
diesem Setup festgestellt...

[Klaus R. (klara)]

Joachim S. schrieb:
> sondern nur einen einzigen, mit 100µF
> vergleichsweise dicken Stützkondensator,

Den Unterschied zwischen einem KerKo von 100µF und 10µF sieht man in 
Diagrammen deutlich.
https://ds.murata.co.jp/simsurfing/mlcc.html?lcid=en-us

Beim 100µF Kerko liegt die Eigenresonanz hier bei ca. 600 kHz. Beim 10µF 
KerKo bei etwas über 2 MHz. Und 1µF haben über 10 MHz und 100 nF noch 
weit höhere Eigenresonanzen.

Deshalb paart man Kondensatoren um eine Verbesserung im Bereich der 
Eigenresonanzen zu erreichen. Oberhalb der Eigenresonanz wird der 
Kondensator induktiver. Das kann man beim Kondensator eigentlich nicht 
gebrauchen.

Murata und Kemet liefern auch für jeden KerKo ein Simulationsmodell. 
Damit und LTspice kannst Du die Eigenschaften von KerKos gut darstellen 
und wirst manchmal überrascht sein.
mfg Klaus

[Joachim S. (oyo)]

Hallo Klaus,

vielen Dank für Deine ausführliche Erklärung. Reine Digitaltechnik kann 
ich recht gut nachvollziehen, aber sobald solche eher analogen Effekte 
zum Tragen kommen, tue ich mir leider immer noch sehr schwer damit, das 
nachzuvollziehen. Mit LTSpice & Co. bspw. habe ich bislang noch nicht 
einmal gearbeitet.

Was mir z.B. angesichts Deiner Erklärung mit den unterschiedlichen 
Eigenresonanzen bei unterschiedlichen Kondensator-Grössen trotzdem nicht 
schlüssig ist:
Warum sieht die im Datenblatt empfohlene Beschaltung einen EXTERNEN 10µF 
und 100nF-Kondensator zwischen VDD33 und GND vor, wenn INTERN doch eh 
bereits mehrere genau dieser beiden Kondensator-Werte zwischen VDD33 und 
GND existieren?

Der Sinn des von mir verbauten 100µF-Kondensators erschliesst sich mir 
ja; der soll halt dafür sorgen, dass die Spannung nicht einbricht, wenn 
der ESP durch Senden etc. kurzzeitig viel Strom benötigt.

[Klaus R. (klara)]

Klaus R. schrieb:
> Deshalb paart man Kondensatoren um eine Verbesserung im Bereich der
> Eigenresonanzen zu erreichen.

Joachim S. schrieb:
> Warum sieht die im Datenblatt empfohlene Beschaltung einen EXTERNEN 10µF
> und 100nF-Kondensator zwischen VDD33 und GND vor, wenn INTERN doch eh
> bereits mehrere genau dieser beiden Kondensator-Werte zwischen VDD33 und
> GND existieren?

Zwischen intern un extern ist eine Leiterbahn die zumindest eine kleine 
Impedanz hat. Zwei Pächen sind besser als ein Pärchen und zusammen mit 
der Leiterbahn hat man ein PI-Glied. Ein typisches Filter.

Das ganze erhöht die Störfestigkeit.
mfg KLaus

[Rrrrrrrr! (Gast)]

Na sagen wir es mal so: Mit den internen Kondensatoren ist das Modul 
selbst in Ordnung. Hersteller froh.
Die externe Beschaltung soll die externe Spannungsversorgung 
stabilisieren, welche natürlich niemand vorher kennen kann. Die externe 
Beschaltung ist halt die beste Universalvermutung/Kompromiß. Damit 
funktioniert es auch bei den meisten Kunden. Hersteller auch froh!. Weil 
wenn etwas beim Kunden nicht geht, liegt es immer am Hersteller...

[Wolfgang (Gast)]

Rrrrrrrr! schrieb:
> Na sagen wir es mal so: Mit den internen Kondensatoren ist das Modul
> selbst in Ordnung. Hersteller froh.

Das Modul ist selbst erst in Ordnung, wenn es eine ausreichend stabile 
Versorgungsspannung bekommt. Und die kommt von außen. Die internen 10µF 
reichen nicht aus, wenn sich das Modul zum Senden plötzlich und kurz 
seinen 400mA-Schluck aus der Versorgungsspannung genehmigt, falls die 
Versorgung nicht mit ausreichend niedrigem Innenwiderstand (induktiv und 
ohmsch) am Modul anliegt.

[Joachim S. (oyo)]

Wolfgang schrieb:
> Rrrrrrrr! schrieb:
>> Na sagen wir es mal so: Mit den internen Kondensatoren ist das Modul
>> selbst in Ordnung. Hersteller froh.
>
> Das Modul ist selbst erst in Ordnung, wenn es eine ausreichend stabile
> Versorgungsspannung bekommt. Und die kommt von außen. Die internen 10µF
> reichen nicht aus, wenn sich das Modul zum Senden plötzlich und kurz
> seinen 400mA-Schluck aus der Versorgungsspannung genehmigt, falls die
> Versorgung nicht mit ausreichend niedrigem Innenwiderstand (induktiv und
> ohmsch) am Modul anliegt.

Aber die externen 10µF machen dann doch auch keinen Unterschied, oder?

Was ich sagen will: Die Erklärung von "Rrrrrrrr!", dass diese beiden 
externen 100nF und 10µF-Kondensatoren zur Stabilisierung der 
Versorgungsspannung sein sollen, erscheint mir auf Anhieb nicht so recht 
plausibel.
Denn dafür nimmt man bei den ESPs doch normalerweise einen deutlich 
grösseren Stützkondensator; ein einziger externer 10µF zusätzlich zu den 
beiden internen 10µF hingegen dürfte da doch nur wenig Unterschied 
machen (und der 100nF schon mal gar nicht), oder?

Die Erklärung von Klaus, dass das was mit Eigenfrequenzen und Erhöhung 
der Störfestigkeit zu tun hat, klingt da für mich irgendwie plausibler, 
obwohl ich die Auswirkungen nicht 100%ig verstehe.

[Klaus R. (klara)]

Wolfgang schrieb:
> Die internen 10µF
> reichen nicht aus, wenn sich das Modul zum Senden plötzlich und kurz
> seinen 400mA-Schluck aus der Versorgungsspannung genehmigt, falls die
> Versorgung nicht mit ausreichend niedrigem Innenwiderstand (induktiv und
> ohmsch) am Modul anliegt.

Ich habe von Wolfgangs Erläuterungen auch schon gehört. Gerade in 
Verbindung mit dem AD-Wander und dem Senden gibt es da bekannte 
Probleme. Du mußt davon ausgehen, dass gerade die Chinesen 
minimalistisch sind. Es ist auf Kante dimensioniert.
mfg Klaus