Granel, media y alta frecuencia: repartir el trabajo

Ningún condensador por sí solo tiene impedancia baja en todo el rango que necesita una placa. El electrolítico que sostiene un escalón de carga a 1 kHz ya es inductivo a 1 MHz. El cerámico 0402 que funciona a 50 MHz no almacena casi carga.

Así que el trabajo se reparte. Esta lección va de repartirlo a propósito.

Los tres trabajos

Granel. Sostiene el raíl durante escalones de carga de microsegundos a milisegundos: un periférico que despierta, una radio que transmite, un motor que arranca. Típicamente decenas o centenares de microfaradios, en electrolítico, polímero o cerámico grande. La posición física apenas importa, porque a esas frecuencias unos centímetros de pista no son nada eléctricamente.

Frecuencia media. Cubre el hueco entre el momento en que la pieza de granel se vuelve inductiva y aquel en que los cerámicos pequeños empiezan a ser eficaces. Típicamente cerámicos de 1 a 10 µF. La posición importa algo. Es la banda que más se deja vacía, y donde suele vivir el ruido de raíl que nadie se explica.

Alta frecuencia. Entrega la corriente transitoria de cada flanco. Cerámicos pequeños, de decenas a centenares de nanofaradios, en el encapsulado más pequeño que puedas montar bien. La posición importa muchísimo: es la única banda donde las lecciones de geometría muerden de verdad.

Rangos representativos. Los valores correctos para tu placa salen del contenido en frecuencia de tu carga, no de esta tabla.

Cómo decidir qué necesitas

Trabaja desde la carga, no desde una receta.

¿El raíl alimenta algo con un escalón de corriente grande y lento? Un módulo de radio, un driver de motor, un relé, la retroiluminación de una pantalla. Si es así, necesitas granel dimensionado para ese escalón. El cálculo es el de la lección 2 pero con la escala de tiempo del escalón: C = I × t / ΔV, donde t ahora son microsegundos o milisegundos, y por eso la respuesta sale en microfaradios y no en nanofaradios.

¿El raíl alimenta la entrada de un regulador conmutado? Entonces el condensador de entrada no está desacoplando en absoluto: es parte del lazo caliente del convertidor y se dimensiona por corriente de rizado, no por carga. Eso pertenece al curso de Alimentación conmutada y las reglas son otras.

¿El raíl alimenta lógica digital rápida? Entonces necesitas la banda de alta frecuencia, y las lecciones 3 a 5 deciden si funciona.

¿El raíl alimenta analógica? Entonces puede importarte más el PSRR y la impedancia de salida del regulador que el desacoplo, y más el ruido que la respuesta transitoria. Otro problema, otro curso.

Casi todos los raíles necesitan dos bandas. Pocos necesitan las tres. Una placa que lleva granel, media y alta en cada raíl sin preguntarse nada ha gastado dinero y superficie en un valor por defecto en lugar de en una decisión.

De dónde viene la costumbre de la escalera de décadas

Un patrón frecuente es 10 µF, 1 µF, 100 nF y 10 nF en orden descendente, uno de cada por pin de alimentación.

La lógica es que cada pieza cubre una década y sus vecinas recogen el testigo donde se vuelve inductiva. Es ordenado y a veces es correcto.

Lo que se le escapa es que las piezas sólo cubren bandas distintas si sus montajes también lo son. Cuatro condensadores en huellas idénticas con patrones de vía idénticos tienen inductancias parecidas, así que sus frecuencias de autorresonancia las fija sobre todo su capacidad; pero por encima de la resonancia todos parecen la misma bobina, y la impedancia conjunta por encima de la resonancia más alta es simplemente esa inductancia dividida entre cuatro.

Dicho de otro modo: la escalera de décadas ayuda en la parte media del rango y hace muy poco en la alta. Arriba sólo ayuda bajar la inductancia, es decir, geometría y encapsulado, no más valores.

Además crea el problema de la antirresonancia, que es la lección 8.

Un reparto trabajado

Una placa con un raíl de 3,3 V que alimenta un microcontrolador, un bus de 16 bits y un módulo de radio que consume 150 mA en ráfagas de 50 µs.

Granel, para la ráfaga de radio. Admitiendo 50 mV de caída: C = 0,15 A × 50 µs / 0,05 V = 150 µF. Se elige un polímero de 220 µF, colocado junto a la entrada de alimentación de la radio y no junto al microcontrolador.

Alta frecuencia, para el bus. De la lección 2, el bus necesita unos 8 nF de carga y menos de 0,5 nH de lazo. Un 100 nF 0402 por pin de alimentación, vías en las almohadillas y planos cerca de la superficie. El valor va sobrado; la restricción es el montaje.

Frecuencia media. Un cerámico de 4,7 µF junto al microcontrolador para tender el puente entre ambos, porque el granel de polímero está lejos y se vuelve inductivo bastante antes de que tomen el relevo los 100 nF.

Tres decisiones, cada una trazable a una carga. Ésa es la diferencia entre una red de alimentación diseñada y una simplemente poblada.

Qué suele salir mal

Granel lejos de la carga que lo necesita. Los 220 µF de la radio puestos junto al microcontrolador no hacen nada por la radio.

Banda media ausente del todo. Es frecuente, y aparece como ruido de raíl en megahercios de un solo dígito que nadie sabe atribuir.

Granel elegido sólo por capacidad. En un electrolítico, la ESR y la corriente de rizado admisible importan a menudo más que el valor, sobre todo a la salida de un regulador conmutado.

La misma escalera en todos los raíles. Un raíl analógico tranquilo de 3,3 V no necesita el mismo tratamiento que un banco de E/S que mueve un bus, y dárselo desperdicia la superficie que el banco de E/S necesitaba.

Qué viene después

La lección 8 aborda la consecuencia incómoda de mezclar valores: dos condensadores en paralelo pueden producir un pico de impedancia peor que cualquiera de los dos por separado.

Todos los valores de aquí salen de un ejemplo de trabajo. Consulta las hojas de características de tu dispositivo y de tu regulador, en especial para la estabilidad de un LDO, que a menudo restringe la capacidad de salida y la ESR por encima de cualquier preferencia de desacoplo.

Fuentes y lecturas recomendadas

Analog Devices — MT-101: Decoupling Techniques Texas Instruments — SPRAC76: Sitara Processor PDN Implementation and Analysis