Abblockkondensatoren spielen eine elementare Rolle im Schaltungsdesign, besonders bei zunehmenden Taktraten. Empfehlungen und Faustregeln für die Auslegung gibt es viele, oft basierend auf Erfahrungs- und Schätzwerten. Doch worauf kommt es wirklich an und welches Vorgehen bei Auswahl und Layout hat erwiesenermaßen Vorteile?

Grundlagen

Um die Zuverlässigkeit von Schaltungen zu gewährleisten, ist vor allem eine stabile Spannungsversorgung notwendig. Dies erfordert zunächst ein Netzteil mit ausreichend genauer und stabiler Regelung. Bei höheren Taktraten wirken sich aber auch die Zuleitungen negativ auf die Stabilität der Versorgung aus. Leitungen auf der Platine wirken sowohl resistiv als auch induktiv und verursachen so besonders bei einem schnell ansteigenden Strom einen nicht unerheblichen Spannungsabfall. Dies ist etwa bei digitalen Schaltungen der Fall, wenn mehrere Gatter mit hohen Anstiegszeiten umgeschaltet werden. So kann es direkt nach dem Schaltvorgang zu einem Einbruch der Versorgungsspannung und damit zur Fehlfunktion oder Abstürzen kommen. Um dies zu verhindern, hat sich die Verwendung von Stützkondensatoren direkt an den betroffenen Stellen der Schaltung etabliert. Diese liefern zum Schaltzeitpunkt die kurzzeitig benötigte Energie und laden sich im Verlauf bis zum nächsten Taktzyklus wieder auf, dadurch werden starke Einbrüche unterbunden.

Benötigte Kapazitätswerte

Eine erste Abschätzung der notwendigen Kapazität lässt sich anhand des kurzzeitig benötigten Strombedarfs ermitteln. Oft findet man hierzu Näherungsformeln der Form;

Hier entspricht Δt der Zeitdauer des Stromflusses und ΔU dem maximal zulässigen Spannungseinbruch an der Stelle des Kondensators.

An dieser Stelle ist man versucht, die Überlegungen abzuschließen. Reale Kondensatoren zeigen in der Praxis jedoch nicht nur das gewünschte Verhalten. So weisen Kondensatoren neben ihrer Kapazität auch einen Serienwiderstand und eine Serieninduktivität auf. Das vereinfachte Ersatzschaltbild eines Kondensators entspricht damit also dem eines Serienschwingkreises, dementsprechend zeigt sich ein Anstieg der Impedanz bei hohen Frequenzen.

Eine bessere Möglichkeit der Dimensionierung bietet daher die Betrachtung des Versorgungsnetzwerkes im Frequenzbereich. So lässt sich das Verhalten der Schaltung gut für eine Vielzahl von Szenarien abschätzen. Das Designziel für eine Versorgung mit möglichst geringen Spannungseinbrüchen ist dabei eine möglichst niedrige Impedanz über den relevanten Frequenzbereich. Bei niedrigen Frequenzen ist dies durch die Spannungsquelle bereits gegeben, die Zuleitungen wirken sich hier nur gering aus. Bei höheren Frequenzen muss die niedrige Impedanz durch das Hinzufügen von Kondensatoren erreicht werden. Dabei ist anzumerken, dass eine Platine mit Masse- und Versorgungsflächen bereits kapazitives Verhalten über einen weiten Frequenzbereich aufweist. Beispielhaft ergibt sich für eine FR4-Platine im halben Eurokarten-Format mit einem Lagenabstand von 0,25mm eine Kapazität von 1,3nF. Bei hohen Frequenzen kommt es aufgrund der Geometrie allerdings auch hier zu Resonanzen:

Kombination mehrerer Kondensatoren

Die störende Induktivität eines Keramikkondensators wird maßgeblich von der verwendeten Bauform und den Zuleitungen beeinflusst. Ein Kondensator der Bauform 0201 wird eine deutlich niedrigere Induktivität als ein Kondensator im 0805 Gehäuse aufweisen, dafür sind die verfügbaren Kapazitätswerte stark begrenzt.

In der Praxis hat es sich daher etabliert, mehrere Kondensatoren zu kombinieren. Direkt an den ICs findet man oft Kondensatoren mit geringer Kapazität, parallel geschaltet zu größeren Kapazitätswerten in größeren Gehäusen. Die kleineren Kondensatoren bieten bei höheren Frequenzen noch das gewünschte Verhalten, große Kapazitätswerte sollen dann genügend Reserven bieten, um den benötigten Strom über eine größere Zeitspanne überbrücken zu können – soweit die oft herangeführte Überlegung. Diese Kombination ruft jedoch Antiresonanzen hervor, also Frequenzstellen, bei denen die Impedanz stark ansteigt. Dies stellt somit genau das Gegenteil des gewünschten Verhaltens dar. Hervorgerufen werden die Antiresonanzen durch die Kombination von Kondensatoren die bei der gegebenen Frequenz bereits induktiv wirken mit solchen, die sich noch im kapazitiven Bereich befinden. Pro zusätzlicher Kondensatorvariante ist also eine weitere Antiresonanz zu erwarten.

In einer 2015 erschienenen Veröffentlichung wird daher die Kombination von mehreren gleichen Kondensatoren als Alternative untersucht und empfohlen^[1]. Wie anhand der folgenden Abbildung erkennbar ist, senkt dies die Gesamtinduktivität gegenüber der eines einzelnen Kondensators, ohne dabei zusätzliche Antiresonanzen zu verursachen. Ebenso wird in dem Beispiel die gleiche Gesamtkapazität erreicht.

Die in dem Beispiel verbleibende Antiresonanz wird durch das Impedanzverhalten der Leiterplatte in Kombination mit den hinzugefügten Kondensatoren verursacht und lässt sich kaum vermeiden.

Anzahl der Kondensatoren

Trotz Untersuchungen zu dem Thema lässt sich leider keine einfache Regel für die Anzahl der zu verwendenden Kondensatoren nennen. Als absolutes Minimum sollte jedoch ein Kondensator pro IC verwendet werden. Durch das Hinzufügen weiterer Kondensatoren kann die Induktivität, wie oben gezeigt, verringert werden. Dadurch ist es möglich, die Induktivität einem Minimalwert anzunähern. Ab einer gewissen Anzahl verringert sich die Impedanz also kaum noch mit zusätzlichen Kondensatoren. Wie schnell der Konvergenzwert angestrebt wird, ist dabei vor allem vom Layout abhängig^[2].

Layout

Beim Layout ist darauf zu achten, dass die Kondensatoren mit möglichst kleiner Impedanz angeschlossen werden. Die Zuleitungen sollten also sehr kurz gehalten, die Kondensatoren somit nahe an das entsprechende IC gesetzt werden. Breite Leitungen sind zu bevorzugen. Bei eventuell benötigten Durchkontaktierungen sollte ebenfalls auf eine möglichst geringe Induktivität derselben geachtet werden. Hier spielt die Platzierung einzelner Durchkontaktierungen aufgrund der induktiven Kopplung zwischen benachbarten Vias eine nicht zu vernachlässigende Rolle^[3]. Durchkontaktierungen, bei denen der Strom in die gleiche Richtung fließt, sollten dabei einen möglichst hohen Abstand zueinander aufweisen. Bei Stromfluss in entgegengesetzter Richtung ist ein geringer Abstand von Vorteil.

Die ersten drei Layoutvarianten im obigen Beispiel zeigen dabei eine schrittweise Verbesserung durch eine Verkürzung der Zuleitungen in Kombination mit einem höheren Leitungsquerschnitt. Bei der vierten Variante sind die beiden Vias nebeneinander angeordnet, was dabei hilft die Induktivität der Anbindung zu senken. Das nächste Beispiel zeigt die gleiche Vorgehensweise, Vias mit gleicher Stromflussrichtung sind mit größerem Abstand angebracht, solche mit entgegengesetzter Stromrichtung nahe beieinander. Bei größeren Gehäusen lassen sich die Vias auch unter dem Kondensator anbringen, wie das letzte Beispiel zeigt.

Bei der Platzierung mehrerer Kondensatoren lassen sich die gleichen Überlegungen treffen^[4]. So hat eine alternierende Ausrichtung der Kondensatoren einen hohen Abstand der Vias mit gleicher Stromflussrichtung und einen geringen Abstand von Vias mit unterschiedlicher Richtung zur Folge. Ein größerer Abstand zwischen den Kondensatoren wirkt sich weiter positiv aus. In jedem Fall sollte die Anbindung mehrerer Kondensatoren über ein Via vermieden werden.

Nichtlineares Verhalten

Erwähnt werden muss auch, dass Keramikkondensatoren ein stark nichtlineares Verhalten aufweisen. Neben den oben aufgeführten parasitären Effekten sind alle Parameter nichtlinear von angelegter Spannung, Frequenz und Temperatur abhängig. Je nach Dielektrikum ist die halbe Kapazität bei Nennspannung nicht unüblich. Dies muss beim Entwurf berücksichtigt und auf entsprechende Reserven geachtet werden. Dieses Verhalten wird von Herstellern auch oft als Grund angeführt, kein Ersatzschaltbild im Datenblatt anzugeben. Hersteller, die beispielsweise SPICE-Modelle anbieten, geben diese in Abhängigkeit von Frequenz, Temperatur und angelegter Spannung an.

Vorgehen beim Schaltungsentwurf

Das der Entwurf des Spannungsversorgungsnetzwerkes und das konkrete Vorgehen nicht immer trivial ist, zeigen obige Überlegungen und zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen zu dem Thema.

Im professionellen Umfeld lässt sich auf eine Vielzahl von Simulationsmöglichkeiten einschließlich elektromagnetischer Feldsimulation zurückgreifen, was das spätere Verhalten der Schaltung mit hoher Genauigkeit abschätzen lässt. Doch bereits einfachere Mittel wie Ltspice und Excel reichen für eine grobe Abschätzung aus, wie Linear Technology in einem Tutorial zeigt. Spezielle Programme wie etwa das PDN-Tool, das Intel als Designhilfe für die Verwendung der eigenen FPGAs anbietet, können den Entwicklungsaufwand ebenso deutlich verringern.

Unabhängig davon, welchen Aufwand man zu investieren bereit ist, sollte man sich zumindest über das Verhalten von Keramikkondensatoren und die Einflüsse durch Kombination verschiedener Kondensatoren und die Auswirkungen durch das Layout bewusst sein.

Quellen und weiterführende Informationen:

• Linear Technology Tutorial
• Layoutvergleich mit Messungen

1. ^ William B. Kuhn und Andrew D. Fund. “Power Supply Bypass Capacitors—Myths and Realities” (IEEE Xplore)
2. ^ K. Shringarpure u. a. “On finding the optimal number of decoupling capacitors by minimizing the equivalent inductance of the PCB PDN” (IEEE Xplore)
3. ^ J. Kim u. a. “Analysis of mutual inductance effect between decoupling capacitors on planar power bus” (IEEE Xplore)
4. ^ B. Archambeault u. a. “Optimizing decoupling capacitor placement to reduce effective inductance” (IEEE Xplore)

Christian K. schrieb:
> Eigentlich müsste man für die Power Netze MLCC mit hohem Serienwiderstand
> (breitbandig) im Bereich einiger Ohm bauen, um die Serienresonanzen zu
> bedämpfen.
Dann würden sie aber nicht mehr funktionieren, weil sie den Strom für 
die Umschaltvorgänge im IC nicht mehr zur Verfügung stellen könnten. 
Denn dafür sind diese Kondensatoren da: den Strom zu liefern für die 
internen Umschaltvorgänge des ICs, die sich pro Taktzyklus abspielen und 
extrem steilflankigen Stromfluss nach sich ziehen.

> MLCC mit hohem Serienwiderstand
Und was ist an den "Antiresonanzen" schlimmer als an realen 
Serienwiderständen?
Wenn so eine "Antiresonanz" die Impedanz bei einer einzigen Frequenz 
(oder einigen wenigen) z.B. auf 10 Ohm anhebt, dann ist das doch immer 
noch besser, als wenn die gesamte Versorgung über den gesamten 
Frequenzbereich einen Innenwiderstand von 10 Ohm hätte...

Im Frequenzbereich betrachtet sollte diese "Antiresonanzfrequenz" 
letztlich nur nicht gerade auf der Taktfrequenz/Störfrequenz oder einer 
der Oberwellen liegen.

Christoph B. schrieb:
> Als absolutes Minimum sollte jedoch ein Kondensator pro IC verwendet
> werden.
Sollte das heißen "1 Blockkondensator pro Vcc/GND Anschlusspaar"?
Denn heutige ICs sind so designt, dass Vcc und GND meist beieinander 
liegen, um die Entkopplung einfacher zu machen.

> Direkt an den ICs findet man oft Kondensatoren mit geringer Kapazität,
> parallel geschaltet zu größeren Kapazitätswerten in größeren Gehäusen.
Direkt an den ICs kommen kleine (0402, je kleiner um so besser, die 
Kapazität selber ist da nachrangig) Kondensatoren.
Und irgendwo in der Nähe sitzt noch ein größerer Elko, der den 
längerfristigen Strombedarf puffert.

Christian K. schrieb:
> Nur wenn mehrere Keramikkondensatoren parallel, dann besser die gleichen
> Typen und Werte.
Warum eigentlich mehrere gleiche Kondensatoren parallel? Dadurch 
verschlechtert sich garantiert die Wirkung, weil bestenfalls einer davon 
optimal angekoppelt ist.

Christoph B. schrieb:
> Quellen und weiterführende Informationen: ...
Schade, dass man diese Informationen ohne kostenpflichtige Anmeldung 
nicht einsehen kann.

Eines zum drüber Nachdenken:
Man muss bei solchen Untersuchungen immer im Hinterkopf behalten, dass 
sie oft von Anfängern gemacht werden, die auch mal genau das 
"herausforschen", was sie oder ihre Professoren gern sehen wollen...

Der Artikel ist sicher nicht falsch, aber ich finde den auf der einen 
Seite noch etwas dünn, auf der anderen Seite etwas Praxis-fremd.

Was hilft es wenn man das sowieso nicht genauer untersuchen kann?
Weder der Strom noch das Delta-T lässt sich einfach mal so bestimmen, 
bei der einfachen Betrachtung wohlgemerkt.
Impedanz der Leiterplatte? ESR? Parasitäre Induktivität?
Gibt es, ja, die zu bestimmen ist noch was anderes.
Dazu zeigen die Grafiken im wesentlichen, dass unterhalb von 100MHz mit 
weniger Problemen zu rechnen ist.

Also weiter wie immer, "Design Considerations" vom Hersteller beachten, 
ansonsten an jeden VCC 100nF (und zwar Versorgung-Kondensator-IC und 
nicht etwa Kondensator-IC-Versorgung).

Die richtigen Probleme gehen los wenn man anfängt xx MHz über die 
Platine zu routen.
Das dürfte nur die wenigsten hier wirklich betreffen.
Wie viele bauen denn hier Boards in der Raspberry-Pi Klasse?

Was sich so "Mikro"-Controller nennt ist die letzten Jahre zwar immer 
schneller geworden, funktioniert im wesentlichen aber immer noch genau 
wie vorher, da der wesentliche Teil der Aktion in dem Controller statt 
findet.
Wenn in der Layout-Checklist vom Hersteller drin steht das an dem und 
dem VCC Anschluss neuerdings zwei Kondensatoren anzuschliessen sind, 
dann macht man das eben so.

daVinciClaude schrieb:
> Meintest Du nicht "hohen du/dt"
Es ist das di/td, das die Probleme macht: zum Umladen der internen 
Kapazitäten muss Strom bereitgestellt werden.

@Christian Kück (chris111)

>GHz Bereich, Schaltregler etwa um 500MHz. Ob man will oder nicht,
>digitale und typische Schaltreglerdesigns sind heute Mikrowellendesigns.

Laß das mal nicht die echten Mikrowellenleute hören, die lachen dich aus 
;-)

>Zum Parallelschaltung von Kondensatoren: Oft reicht die Kapazität eines
>einzigen MLCC in kleiner Bauform nicht hin. Öffne mal einen neueren
>Intel Prozessor und zähl die parallel geschalteten MLCC. Oder schau dir
>aktuelle Hochleistungsmotherboards unter dem Prozessorsockel an.

Das war auch schon vor 20 Jahren so!

>Messen kann man die Stromverteilung auf den Abblockkondensatoren gut und
>recht breitbandig (GHz Bereich) z.B. mit einer Langer Magnetfeldsonde
>und einem Spektrumanalyzer oder breitbandigem Scope.

Naja. Man kann grob schätzen, denn die feldmäßige Interaktion ist 
deutlich komplexer.

Christian K. schrieb:
> Eine "Schaltflanke" ist ein breitbandiger Step- bzw. Diracimpuls.
> Er regt jede Resonanz an.
Um mal in einem realen Design zu bleiben: deshalb ist es erstrebenswert, 
diese Schaltflanke, bzw. diesen Impuls gar nicht auf die Leiterplatte zu 
bekommen und direkt am IC abzublocken.

Christian K. schrieb:
> Oder schau dir aktuelle Hochleistungsmotherboards unter dem
> Prozessorsockel an.
Solche Designs machen aber die wenigsten. Und Blockkondensatoren sind 
eben nicht nur dort wichtig.

Christoph B. schrieb:
> Vorgehen beim Schaltungsentwurf
Dieser Abschnitt ist m.E. der Schlüsselabschnitt und kommt ein wenig zu 
kurz: abgesehen davon, dass man sein Design simulieren sollte (was bei 
einem zu 99% üblichen µC Design aus Kostengründen sowieso flachfällt) 
steht da nichts handgreifliches drin.
Interessant wäre jetzt ein alltägliches Beispiel, das nicht auf einer 
hochtechnologisierten Leiterplatte mit mindestens 6 Lagen aufbaut, 
sondern eines, das die Anwendung auf einer 2- (oder auch 4-) lagigen 
Platine darstellt und darauf hinweist, was genau dort zu beachten ist.

> Im professionellen Umfeld lässt sich auf eine Vielzahl von
> Simulationsmöglichkeiten einschließlich elektromagnetischer
> Feldsimulation zurückgreifen, was das spätere Verhalten der Schaltung
> mit hoher Genauigkeit abschätzen lässt.
Ich kenne es übrigens gern andersrum: das Simulationsmodell wird so 
lange angepasst, bis es der Realität entspricht. Und dann geht man von 
dort aus mit kleinen Schritten weiter in Richtung "lokales Optimum".

Rudolph R. schrieb:
> Wenn in der Layout-Checklist vom Hersteller drin steht das an dem und
> dem VCC Anschluss neuerdings zwei Kondensatoren anzuschliessen sind,
> dann macht man das eben so.
Das sollte man dann aber auch mal hinterfragen. Denn da steht dann oft, 
dass man an ein BGA für jeden Versorgungspin einen Kondensator 
anschließen soll, und hinterher findet man die Dinger als hübschen 
"Kondensatorblock" etwas abseits im Rudel neben dem IC. Das war dann 
nicht der Sinn der Übung "jedes Versorgungspärchen muss abgeblockt 
werden".

Ich mache nach Fertigstellung der Prototypen auch die "Gegenprobe": die 
Blockkondensatoren werden einer nach dem andere heruntergerupft und die 
Auswirkungen gemessen und beobachtet.
So richtig beruhigend ist es, wenn die Leiterkarte dann ganz ohne 
Blockkondensatoren über den gesamten Temperaturbereich fehlerfrei 
durchläuft und man nur noch messtechnisch die Notwendigkeit der 
Blockkondensatoren nachweisen kann...

@ Christian Kück (chris111)

>> Naja. Man kann grob schätzen, denn die feldmäßige Interaktion ist
>> deutlich komplexer.

>Dann mal Butter bei die Fische. Wie sieht das magnetische Feld um einen
>MLCC Kondensator aus?

Keine Ahnung.

>Ich habe z.B. eine recht genaue Vorstellung dazu.

Mag sein. Aber ob die was mit der Realität zu tun hat, ist eine ganz 
andere Frage ;-)

Entwickler schrieb:
> Habe ich jetzt irgendeinen Denkfehler?
Du sagst nicht, wo die Taktfrequenz ist. Bei 25MHz würde ich z.B. den 
100nF Kondensator nehmen. Und hätte doppelt gespart: am Platz und am 
Preis...

> Habe ich jetzt irgendeinen Denkfehler?
Du vergisst die Platine.
Und du darfst natürlich nicht (nur) den ESR ansehen, es gilt die 
Impedanz...

Lothar M. schrieb:
> Und du darfst natürlich nicht (nur) den ESR ansehen, es gilt die
> Impedanz...

Der Ordinate ist mit z beschriftet. Das steht normalerweise für 
Impedanz, nicht für ESR. Von daher ist diese Gegenüberstellung durchaus 
aufschlussreich.

Tommy schrieb:
> Ich kenne einen Layouter der verzichtet komplett auf 100nF
> Abblockkondensatoren bei High-Speed DDR3 Designs.

Eine ähnliche Geschichte habe ich auch mal aufgeschnappt. Da wurde mit 
genau dieser Technik das Design eines Graphikchips soweit verbessert, 
dass eine deutlich wahrnembare Verbesserung der Grafik gegenüber dem 
Referenzdesign des Herstellers erreicht wurde. Der Hersteller hat das 
dann wohl abgekauft und vermarktet, die Kunden bekamen Wind davon, es 
hat einen Rechtsstreit gegeben - so die üblichen Geschichten halt.

Mark S. schrieb:
> Der Ordinate ist mit z beschriftet.
Ich sehe |Z| und R (=ESR), beide in [ohm].
In den Diagrammen ist dann der ESR und die Impedanz zu finden...

Mark S. schrieb:
> Eine ähnliche Geschichte habe ich auch mal aufgeschnappt.
> so die üblichen Geschichten halt.
Sowas nennt sich "urban legend". Oder gibt es Quellen dazu?
Es ist in der Praxis eher so, dass für irgendeine Technik irgendwann die 
Zeit einfach reif ist, und die dann aufkommt. Wer dann tatsächlich der 
erste ist, ist eigentlich belanglos. Ein halbes Jahr später wäre eben 
ein Anderer gekommen...

Tommy schrieb:
> Dieses Vorgehen hatte auch einen Namen und es gibt da einen Experten der
> dazu ein paar Untersuchungen gemacht hat.
Das ganze nennt sich "Power Integrity" und es gibt viele Experten und 
viele Simulationstools. Aber sieh einfach mal dort nach: 
http://www.emv.biz/downloads/fachartikel/

Was für eine großflächige Versorgungslage noch funktionieren kann, das 
geht schon dann schief, wenn ich an meinem Baustein z.B. unabhängige 
Versorgungsspannungen habe. Denn dann gibt es für die einzelne Spannung 
keine nennenwerte Fläche mehr und ich muss das Design wieder auf 
Blockkondensatoren auslegen:
http://www.techdesignforums.com/practice/technique/designing-a-pcb-for-power-integrity/

Und wie gesagt: für locker 99% der Layouts sind diese Betrachtungen 
völlig irrelevant, weil es dort gar keine vernünftige Powerplane gibt 
und deshalb diese Entkopplungstechnik nicht angewendet werden kann.

erst lesen, dann posten schrieb:
> Nur blöd wenn durch Fertigungstoleranzen die Dicke des Prepregs und
> damit die Kapazität nicht vorhersagbar ist.
Das ist halb so schlimm, relevant ist nämlich da nicht die absolute 
Kapazität, sondern die überaus geringe Impedanz. Die wird aber auch nur 
zusammen mit teurer Fertigungstechnik mit Microvias erreicht.

@ Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite

>> Nur blöd wenn durch Fertigungstoleranzen die Dicke des Prepregs und
>> damit die Kapazität nicht vorhersagbar ist.
>Das ist halb so schlimm, relevant ist nämlich da nicht die absolute
>Kapazität, sondern die überaus geringe Impedanz. Die wird aber auch nur
>zusammen mit teurer Fertigungstechnik mit Microvias erreicht.

Kommt nach dem LED-Vorwiderstandssparwahn jetzt der 
Entkoppelkondensatorsparwahn?

Falk B. schrieb:
> Kommt nach dem LED-Vorwiderstandssparwahn jetzt der
> Entkoppelkondensatorsparwahn?
Ich mache sie trotzdem ran...  ;-)

Natürlich funktioniert diese Flächenentkopplungtechnik. Aber eben nicht 
im 2- oder 4-Lagen Design, wo eine "Powerplane" aussieht wie ein 
Schweizer Käse, und wo man auch aus Kostengründen nicht mit 
mikroskopischen Sacklöchern und wasweißichnochalles arbeiten kann. Und 
sie funktioniert "nur" für die hohen Frequenzbereiche. Für die tiefen 
Frequenzen sind nach wie vor Kondensatoren nötig, die die Powerplane 
lokal mit Strom versorgen.

@ Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite

>Natürlich funktioniert diese Flächenentkopplungtechnik.

Ohne zusätzliche Kondensatoren? Das wage ich zu bezweifeln. Wenn gleich 
mit den heute verfügbaren, hochkapazitiven Keramikkondensatoren im uF 
Bereich sich die Verhältniss etwas verschieben, bleiben die 
grundlegenden Betrachtungen trotzdem die gleichen. Die paar pF, im 
Extremfall nF an Flächenkapazität reichen im allgemeinen NICHT, um einen 
leistungsstarken IC ausreichend zu puffern.

>sie funktioniert "nur" für die hohen Frequenzbereiche. Für die tiefen
>Frequenzen sind nach wie vor Kondensatoren nötig, die die Powerplane
>lokal mit Strom versorgen.

Wobei "hoch" hier eher 300MHz++ ist.

Falk B. schrieb:
>> Natürlich funktioniert diese Flächenentkopplungtechnik.
> Ohne zusätzliche Kondensatoren? Das wage ich zu bezweifeln.
Ich auch. Hatte ich ja geschrieben. Nur ist die Lage der 
Blockkondensatoren direkt und unmittelbar am IC-Pin nicht mehr zwingend 
nötig.

> Wobei "hoch" hier eher 300MHz++ ist.
Ich hatte 500MHz im Kopf, als ich diesen Satz schrieb... ;-)

@Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite

>Ich auch. Hatte ich ja geschrieben. Nur ist die Lage der
>Blockkondensatoren direkt und unmittelbar am IC-Pin nicht mehr zwingend
>nötig.

Ja, aber dabei ist weniger die Kapazität der Versorgungslagen dafür 
verantzwortlich sondern eher die sehr niedrige Impedanz. Dadurch kann 
man halt ein paar mm weiter wegrücken.

Falk B. schrieb:
> Ja, aber dabei ist weniger die Kapazität der Versorgungslagen dafür
> verantzwortlich sondern eher die sehr niedrige Impedanz.
So war das gemeint. Natürlich brauchen die selben ICs weiterhin den 
selben Strom wie bisher mit der "traditionellen" Methode und deshalb 
insgesamt die selbe Pufferkapazität.
Es geht also mitnichten um einen "Plattenkondensator", der da von den 
Planes aufgespannt wird, sondern um eine geringe Induktivität dieses 
Aufbaus: wegen des geringen Abstands (die Leiter sind so weit weit 
auseinander, wie das Prepreg dünn ist: in paar µm) wird zwischen Hin- 
und Rückstrompfad nur eine kleine Leiterschleife aufspannt, die 
deshalb nur eine geringe Induktivität hat und darum niederimpedant bis 
in höchste Frequenzen wirkt.

Und so spart man sich durch den höheren technischen Aufwand bei der 
Leiterplattenherstellung ein paar Stunden Nachdenken und evtl. ein paar 
graue Haare bei der Inbetriebnahme.


Und weiterhin gilt: diese Betrachtungen sind tatsächlich nur für ein 
paar High-End-Boards mit >>6 Lagen relevant. Es ist allerdings gut, wenn 
man weiß, wie es weitergeht, wenn es mal nicht mehr weiterzugehen 
scheint... ;-)

W.Nickel schrieb:
> Mann sollte die Vias dann aber mit Lötstopplack bedecken oder von den
> Pads trennen, damit kein Lot von den Pads dahin fließt.
Oder eben gleich die Microvias nehmen und die DK in das Pad setzen...
https://www.google.de/search?q=microvia
https://www.google.de/search?q=via+in+pad
http://www.we-online.com/web/de/leiterplatten/produkte_/microvia_hdi_leiterplatten/Einleitung_HDI.php

@ Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite

>> Mann sollte die Vias dann aber mit Lötstopplack bedecken oder von den
>> Pads trennen, damit kein Lot von den Pads dahin fließt.
>Oder eben gleich die Microvias nehmen und die DK in das Pad setzen...

Und wer braucht das WIRKLICH? Geschätzte 90% der Designs sicher NICHT.

Interessanter Artikel.

Ich möchte hier mal ein von mir aktuelles Beispiel einbringen, da ich 
betreffend Abblockkondensatoren und deren Layout schon vieles gelesen 
und gesehen habe.

Bei der Schaltung handelt es sich um mehrfachen Einsatz von 
SN74LVC1G86DBVT und ähnlichen Gates mit 50-100MHz Schaltfrequenzen. Im 
Datenblatt wird sogar auf 45° und abgerundete Leiterbahnen eingegangen, 
aber wie man bei einem SOT-23 5Pin Gehäuse die Kondensatoren am besten 
anschliess haben sie wohl vergessen.

Ich habe im Anhang rasch 4 mögliche Beschaltungen gezeichnet (4-Layer 
Aufbau, hier halt SOT23-6Pin Gehäuse mit schlechtester 
Speisungspin-Verteilung).
Variante 1 (U1, C1) wird wie auch oben im Artikel und diversen Büchern 
als "akzeptabel" beschrieben. Variante 2 (U2, C2) hat eine tiefere 
parasitäre Induktivität bei den Vias.
Wie sieht es nun aber mit einer Kombination wie in Variante 3 (U3, C3) 
aus? Rein ohmisch betrachtet ist das sicher besser, aber wie sieht es 
mit AC-Verhalten und EMV aus?
Bei Variante 4 wir das Gate noch zusätzlich niederinduktiv über das 
zusätzliche Via am Pin auf GND verbunden. Bringt die GND Leiterbahn 
unterhalb des IC in diesem Fall überhaupt noch etwas (positives, 
negatives)?
Wie sieht es nun abschliessend mit Variante 5 (U5, C5) aus? Ich habe mal 
gelernt, dass der Weg von den Planes über den Kondensator zu den Pins 
gehen soll.


Ich hoffe mal es gibt hier erfahrene professionelle Layouter, die etwas 
Licht ins Dunkle bringen können.
Besten Dank, Gruss
Patrick

Falk B. schrieb:
> Geschätzte 90% der Designs sicher NICHT.
Ich hatte 99% in die Runde geworfen. Aber es schadet nicht, wenn man 
weiß, was Stand der Technik ist...

Patrick B. schrieb:
> Wie sieht es nun abschliessend mit Variante 5 (U5, C5) aus?
Nimm eine der 3 ersten,  die unterscheiden sich nur marginal.

Patrick B. schrieb:
...
>
> Ich habe im Anhang rasch 4 mögliche Beschaltungen gezeichnet (4-Layer
> Aufbau, hier halt SOT23-6Pin Gehäuse mit schlechtester
> Speisungspin-Verteilung).
...
> Besten Dank, Gruss
> Patrick

Um es auf die Spitze zu treiben, würde ich den GND-Anschluß mit der 
kürzeren Verbindung zum C anbinden. Die Leitungsinduktivität ist im 
GND-Strang schädlicher als auf der VDD-Seite.

Arno

Arno H. schrieb:
> Die Leitungsinduktivität ist im GND-Strang schädlicher als auf der
> VDD-Seite.
Das Stichwort dazu lautet Groundbouncing: die Masse des ICs sieht eine 
andere Spannung als die GND Plane hat, weil über die Leiterbahn ein paar 
mV abfallen. Und der Bezugspunkt für die Schaltungsteilnehmer ist nunmal 
GND...

Bei den Beispielen hier wird da aber mit höchster Wahrscheinlichkeit 
noch nichts passieren.

@Patrick B. (p51d)

>Datenblatt wird sogar auf 45° und abgerundete Leiterbahnen eingegangen,

Totaler Nonsense!

https://www.mikrocontroller.net/articles/Wellenwiderstand#90.C2.B0_Ecken_in_Leiterbahnen

>Ich hoffe mal es gibt hier erfahrene professionelle Layouter, die etwas
>Licht ins Dunkle bringen können.

Das reicht keine Sekunde! Denn bei all diesen Diskussionen ist der 
"Gefühlsfaktor" deutlich zu groß. Man braucht BELASTBARE Messungen. Die 
sind nicht ganz trivial und auch nicht mal fix gemacht. Dann kann man 
substantiell diskutieren.

Diese Diskussionen tendieren leider zu akademischen Auswüchsen, wo dann 
aus jedem 08/15 Design ein Super-HF Monster gemacht wird und über jeden 
Millimeter todernst philosophiert wird. Das nervt!

@Andi (Gast)

>Vorher: Kondensatoren weg? nie? das kann nicht sein! das geht nicht!
>(Siehe Falks Posting ;))
>Nachher: Grosse Augen und noch grösseres Schweigen ;)

Ohne auch nur ANSATZWEISE mal zu definieren, worüber wir hier WIRKLICH 
reden, ist ein Kommentar sinnlos. Mein Kommentar bezog sich auf

Beitrag "Re: Im Detail betrachtet: Abblockkondensatoren"

KOMPLETT ohne Kondensatoren? Glaub ich keine Sekunde.

Mal ganz abgesehen davon, daß der LAYOUTER nicht festlegt, wieviel 
Entkoppelkondensatoren verwendet werden. Das macht der 
Schaltungsentwickler!

"dann werden nach der Simulation der Impedanz dieser
Flächen noch ein paar größere Bulkkondensatoren platziert und das wars!"

Diese sind wahrscheinlich ein paar hochkapazitive, keramische MLCCs. Ja, 
sowas geht heutzutage. Ob es immer optimal ist, muss man im Detail 
anschauen, den diese Dinger sind bisweilen nicht das, was man glaubt sie 
seien.

Patrick B. schrieb:
> Im Datenblatt wird sogar auf 45° und abgerundete Leiterbahnen eingegangen

Dieser Abschnitt findet sich in jedem solchen TI-Datenblatt, egal, ob es 
sinnvoll ist.

> aber wie man bei einem SOT-23 5Pin Gehäuse die Kondensatoren am besten
> anschliess haben sie wohl vergessen.

Das kann man nicht einfach mit Copy+Pasta abhandeln; für Logik-Chips 
spart sich TI den Aufwand. Ist wohl nicht so wichtig wie z.B. beim 
SN65LVDS4 (500 Mbit) (http://www.ti.com/lit/gpn/sn65lvds4):
> 11.1.6 Decoupling
> Each power or ground lead of a high-speed device should be connected to
> the PCB through a low inductance path. For best results, one or more vias
> are used to connect a power or ground pin to the nearby plane. Ideally,
> via placement is immediately adjacent to the pin to avoid adding trace
> inductance. [...]
> Bypass capacitors should be placed close to VDD pins. They can be placed
> conveniently near the corners or underneath the package to minimize the
> loop area. [...]
> The most effective bypass capacitor can be built using sandwiched layers
> of power and ground at a separation of 2 to 3 mils. With a 2-mil FR4
> dielectric, there is approximately 500 pF per square inch of PCB. [...]
> In many cases the GND pad that is so important for heat dissipation
> makes the optimal decoupling layout impossible to achieve due to
> insufficient pad-to-pad spacing as shown in Figure 33(b). When this
> occurs, placing the decoupling capacitor on the backside of the board
> keeps the extra inductance to a minimum.

@HildeK (Gast)

>> KOMPLETT ohne Kondensatoren? Glaub ich keine Sekunde.
>Nein, nicht komplett ohne Kondensatoren, sondern mit einer ausgewählten
>Kombination von 3-5 Stück in X7R (wichtig: schlechte Güte, keine NP0!)

In NP0 gibt es sowieso keine großen Kapazitäten bei brauchbaren 
Gehäusegrößen.

>sowie einem Bulk-C (damals Tantal-C mit z.B. 220µF) und einer möglichst
>quadratischen VCC/GND-Fläche mit maximal 4cm*4cm mit kleinstmöglichem
>Isolationsabstand (50µ ... 100µ). Anstatt vielleicht 10, 20 oder noch
>mehr 100nF-Cs.

Das klingt schon eher sinnvoll.

>Die einzigen Probleme, die mir dabei begegnet sind, war ein BGA mit
>vollflächiger Ballbelegung. Da konnte man durch die Platine durchschauen
>wegen der vielen Vias. Mit Microvias hätte es problemlos funktioniert.
>Die VCC-Flächen wurden über eine kleine Drossel (1-5µH) an die
>Versorgung angeschlossen.

Drossel oder eher Ferritperle?

>Von einer zentralen Stelle wurde das Prinzip mit dem Netzwerkanalysator
>ausführlich ausgemessen und man beschloss daraufhin, an den vier Ecken
>des Quadrats noch jeweils einen 1µF anzubringen.

Hmm.

>sie dann schnell beruhigt und auf das eigentliche Problem schwenken
>lassen :-).

Was war denn das eigentliche Problem?

Falk B. schrieb:
>>Oder eben gleich die Microvias nehmen und die DK in das Pad setzen...
>
> Und wer braucht das WIRKLICH? Geschätzte 90% der Designs sicher NICHT.

Lothar M. schrieb:
> Ich hatte 99% in die Runde geworfen. ....
Ich brauche sowas bei ca. 20% meiner PCBs und zwar u.a. aus 
Platzgründen.
LP-Größe ist dabei das bekannte Doppelbriefmarkenformat.
Habt Ihr alle nicht auch Chefs, die dauernd ankommen und alles noch 
kleiner, mit mehr Funktionen und dafür aber billiger haben wollen?!? :)

> ....Aber es schadet nicht, wenn man weiß, was Stand der Technik ist...
Und das sowieso!  ;)

Patrick B. schrieb:
> Ich habe im Anhang rasch 4 mögliche Beschaltungen gezeichnet...
Lt. eines meiner Bücher (habe ich zuhause, Titel und Verfasser weiß ich 
jetzt nicht, ist englischsprachig) wäre so etwas wie Variante 3 am 
günstigsten. Allerdings mit der Modifikation, dass der Kondensator unten 
im Bild nahe dem GND-Pin liegt und die Leitung zum Vcc-Pin die längere 
ist.
Warum?
Weil digitale ICs dadürch fehlfunktionieren, dass sie auf GND bezogene 
Eingangssignale durch GND-Bouncing missinterpretieren. Daher ist es 
wichtiger, GND festzutackern als Vcc.
Ich fand die Argumentation logisch.

Erfahrungsgemäß würde ich allerdings annehmnen, dass in den meisten 
Fällen alle von Dir gezeigten Varianten funktionieren würden...



Edit:
Ah, hatte jemand anderes schon geschrieben. Sorry!

Arno H. schrieb:
> Um es auf die Spitze zu treiben, würde ich den GND-Anschluß mit der
> kürzeren Verbindung zum C anbinden. Die Leitungsinduktivität ist im
> GND-Strang schädlicher als auf der VDD-Seite.

Edit2:
OK, viele andere... seufz!

@HildeK (Gast)

>Man braucht in den Kombinationen der 3-5 Cs auch kleine Werte. Es ist
>eine Abstufung, beginnend je nach VCC/GND-Flächengröße schon unter 1nF.

Braucht man 1nF WIRKLICH, oder nur, damit der NEtwork Analyer einen 
möglichst "glatten" Frequenzgang ausspuckt?

>68000-Prozessors (zwei Spannungen). In der Mitte die (zweimal) vier
>Kondensatoren, außen die 1µF Stützen.

Welche? Die 4 großen Tantals?

Hat jemand ein öffentliches Dokument zur Platzierung und Dimensionierung 
der Abblockkondensatoren und Ferrite?

Leider gibt es zu diesem Thema sehr viel Information im Internet, 
welches nur auf "Erfahrung" und "Macht man halt so" beruht. Nicht selten 
kommen dann auch widersprüchliche Aussagen.
Eine Suche über Google lieferte mir nur Links auf ieee.org, welche 
bezahlt werden möchten, andere wissenschaftlich fundierte Artikel habe 
ich nicht gefunden.

@m.n. (Gast)

>Ganz oben im Datenblatt steht aber auch: Ceramic type NPO.

Es gibt ja auch NIE Druck und Tipfehler auf dieser Welt.

>Ohne jetzt den TK genau überprüft zu haben, nehme ich diese Cs für
>Zeitgeber-Anwendungen
>Beitrag "Powerbank-Wecker", wo diese Teile
>sehr stabil arbeiten.

Ja und? Hast du den TK ausgemessen? Nein! Also läuft dein Wecker 
wahrscheinlich bei recht konstanter Umgebungstemperatur. Und auch X7R 
hat keinen riesigen TK, das ist eher Z5U & Co.

Ich habe nun gesehen, dass man bei der google suche auch statt dem Link 
von ieee.org rechts daneben auf einen direkten Link klicken kann.
Gefunden habe ich dieses Dokument: 
http://d1.ourdev_cn/bbs_upload782111/files_52/ourdev_722945T1I3FY.pdf

Leider sagt es nicht viel über die Platzierung des Cs nebem einem IC 
aus, ebenso wurden Ferrite überhaupt nicht berücksichtigt.

Wer es noch nicht kennt, scholar.google.com ist auf die Suche 
wissenschaftlicher Artikel getrimmt.

mikrocontroller.net scheint keine .cn Adressen zu mögen, daher für 
interessierte: ourdev_cn zu einer richtigen Adresse modifizieren.

Danke für den guten Artikel.
Ich habe danach mein letztes Platinenlayout kontrolliert und, obwohl 
alles funktioniert, Designfehler gefunden.

MfG. Andreas

@Andreas M. (andreas61)

>alles funktioniert, Designfehler gefunden.

Welche denn? Bilder?