Disaccoppiamento ?
Ogni circuiti che comprenda componenti attivi dovrebbe avere abbastanza
condensatori di disaccoppiamento in parallelo all' alimentazione.
Questa necessità è troppo spesso ignorata in quanto non è ben chiaro
quale sia il lo scopo di questi condensatori distribuiti sul circuito e si
ritiene che quello posto dopo lo stabilizzatore di tensione sia sufficiente in
ogni caso.
Prendiamo ad esempio un semplice regolatore lineare a tre terminali, del
genere 7805, molto comune nell' alimentazione di piccoli circuiti.
 |
C1 svolge essenzialmente la funzione di costituire una
riserva di energia per il circuito integrato stabilizzatore, mentre C4 lo è
per i circuiti successivi.
Inoltre, non va dimenticato, per la stabilità del regolatore occorre che
le capacità siano molto vicine al componente.
E, infatti, vanno considerate le correnti impulsive che circolano nel
circuito che rendono necessario tenere presente che, al variare della
corrente, si presenta il fenomeno dell' impedenza. |
Variazioni rapide sul carico, come quelle imposte da circuiti digitali che
passano rapidamente dallo stato off allo stato on e viceversa costringono il
regolatore lineare ad un gravoso lavoro a frequenze elevate, cosa ne può
rendere problematica la stabilità del regolatore lineare.
 |
Una più corretta implementazione del circuito sarà questa. Qui, la
funzione dei condensatori aggiunti al lineare è vista nella giusta
prospettiva
C2 e C3, tipicamente 0.1uF multistrato ceramico, sono installati
strettamente vicino ai pin del regolatore per assicurare la
stabilità, ovvero l' impossibilità di innescare fenomeni
oscillatori.
mentre C1 e C4, elettrolitici, costituiscono le riserve per compensare
il ripple (variazioni della corrente del carico, C4, e variazioni
della tensione di ingresso, C1).
Classicamente il rapporto tra i due è 10:1 (ovvero, ad esempio, C1
potrà essere 470 uF e C4 47 uF).
|
Il diodo in serie svolge due funzioni: evita il pericolo dell'inversione di polarità e nello steso tempo costituisce una separazione
dal resto dell' alimentatore a monte.
Il diodo in controfase sul regolatore serve a scaricare un eventuale eccesso
di carica dei condensatori a valle, evitando l' inversione di polarità all'
uscita del regolatore (questo succede quando la capacità a valle è più
alta di quella a monte e, al mancare della tensione principale, C1 si
scarica prima di C4 e degli eventuali altri condensatori in parallelo ad
esso; e questo è uno dei motivi per cui si dovrebbe sempre avere C4 <
C1).
Come si vede, le considerazione da fare attorno ad un
"semplice" regolatore lineare a tre terminali non sono del tutto banali. Ed
ancor più fondamentale diventa la cosa quando si tratta di componenti digitali,
dato che essi presentano un assorbimento di corrente impulsivo
durante le commutazioni oppure di componenti analogici con alti guadagni o
ancora di circuiti in cui circolano segnali a frequenze elevate.
|
Ad esempio, in un microcontroller che accenda un gruppo di LED collegati ai
suoi I/O digitali, la corrente assorbita passa da un livello
minimo dell' ordine di qualche milliampere o meno a LED spenti per
salire bruscamente a decine di volte con i LED accesi.
Questo è abbastanza chiaro, ma quello che sfugge è che
questa corrente che
alimenta i LED passa
attraverso i pin di alimentazione del microcontroller
ed i suoi componenti interni di comando del port !
Il percorso della corrente
che accende il LED è quello indicato nello schema a lato. Se ogni LED
assorbe 20 mA, con 8 LED accesi la corrente che scorre nei pin di
alimentazione positiva del microcontroller è oltre 160 mA (8 x 20 mA +
la corrente propria di funzionamento del microcontroller).
E questo può accadere in
un tempo brevissimo: l' istruzione
setf
LEDPORT
che accende tutti i
LED, a 8 MHz di clock è eseguita in 500 ns.
|
Questo vuol dire
che il sistema di alimentazione dovrà poter passare a fornire questa corrente
in un tempo altrettanto breve.
Lo stesso sarà per un carico
collegato alla Vdd, dove andranno in conduzione i MOSFET N e la corrente
scorrerà tra la Vdd e il pin di massa.
Se consideriamo il tratto di circuito che va dalla sorgente di
alimentazione al carico, solitamente lo indichiamo con due semplici
conduttori.
Vanno considerati due elementi:
- il primo, molto semplice, è che dalla sorgente di alimentazione al
microcontroller si interpone una certa distanza attraverso la quale la
corrente è portata dalle piste del circuito stampato e magari anche da
cavi di una certa lunghezza. Queste connessioni hanno una resistenza
dovuta alla resitività ρ del materiale conduttore, alla loro sezione
S ed
alla loro lunghezza l.
R = ρ * l / S
Quindi, con una piccola corrente circolante I , ci sarà una piccola caduta
di tensione ΔV= R I , ma quando la corrente aumenta
significativamente, anche la
caduta di tensione sui collegamenti aumenta in proporzione. E può avere
anche dimensioni significative.
Ad esempio, per una resistenza delle connessioni (cavi, piste, morsetti) di
un solo ohm, con 10 mA ci saranno 0,01 V di caduta, normalmente del tutto trascurabile; ma ad un
impulso di corrente da 1 ampere, la caduta sarà di ben 1 V. Anche se solo
l' impulso ha breve durata, per quel tempo la tensione di alimentazione
degli integrati cade a 4 V dai 5 iniziali, il che può portare a
problemi di funzionamento e stabilità.
- un secondo punto da considerare è il seguente:
Quando la corrente in
un dispositivo cambia, l'alimentatore non può rispondere a questo
cambiamento istantaneamente. Di
conseguenza, la tensione al dispositivo cambia per un breve periodo prima che il
sistema di stabilizzazione risponda
alla variazione. Un regolatore
ben realizzato può rispondere a variazioni del carico dalla
CC a qualche centinaio o migliaio di
Hz, a seconda di come è realizzato, ma eventi molto rapidi
(transitori)
che si verificano a frequenze superiori, non possono essere seguiti ed
è necessario un intervallo di tempo prima che
il regolatore risponda al nuovo livello
della
domanda di energia.
- E
poi
occorre comprendere che
quello che riteniamo un circuito in corrente continua perchè alimentato da
uno stabilizzatore (ad esempio un lineare a tre terminali tipo 7805) a 5V,
non è affatto un circuito in continua !
|
Caratteristica di un circuito in corrente continua è la costanza della
corrente che scorre. |
In un circuito in cui la corrente è costante, l'
unico fenomeno che interviene è la resistenza del materiale conduttore e l'
unica relazione è la Legge di Ohm.
Ma nella realtà abbiamo appena visto che la corrente non è
affatto costante. E la variazione della corrente si riflette con l' apparire
del fenomeno dell' induttanza, tanto più evidente quanto maggiore è la
velocità della variazione.
E l' induttanza si oppone alla variazione della corrente con una reattanza
induttiva proporzionale direttamente alla frequenza, o tempo di variazione
della corrente (dI/dt)
Xl = 2 p
f L
Va tenuto presente che, anche se la frequenza di commutazione è bassa, ad
esempio facendo lampeggiare i LED con un periodo di 500 ms, il tempo in cui la
porta commuta è limitato solo dalle sue caratteristiche e da quelle del
carico collegato.
 |
Tempi di commutazione dell' ordine dei ns o ps sono del
tutto comuni per le logiche attuali. Il che vuol dire che l'onda quadra della
commutazione ha fronti di salita in cui il dV/dt è molto più
elevato.
Al variare della tensione varia in proporzione la corrente e, di conseguenza, gli effetti induttivi sono proporzionalmente più
intensi.
Nell' immagine a lato, un impulso da 500 ms di durata, ha il fronte di salita,
ovvero il tempo necessario per passare da livello basso a livello alto, di
meno di 100 ms: in sostanza, la "frequenza" della commutazione non
è 2 Hz, ma cinque volte maggiore. |
E va notato che questo tempo è imposto principalmente dall' elevato carico sull' uscita
digitale, dato che il gate che comanda la linea ha la possibilità di
generare fronti di salita molto più ripidi, dell' ordine dei ns.
Dunque, quando una porta deve fornire velocemente
una certa quantita` di carica all'uscita, un
impulso di corrente
passa attraverso uno dei due conduttori di alimentazione (ground o alimentazione).
Alla variazione della corrente
impulsiva si oppongono gli aspetti parassiti (induttanze distribuite e
resistenze distribuite) dei
collegamenti di alimentazione e la velocità di risposta al transitorio
del sistema di regolazione. Si genera un istante di variazione della tensione
di alimentazione che, se va oltre i limiti previsti, crea un malfunzionamento
del circuito.
La situazione dei componenti reali, infatti è più complessa di quanto
pensino molti che realizzano circuiti ad alte prestazioni per poi ritrovarsi
con problemi di funzionamento difficili da diagnosticare.
Se lo schema elettrico (fig.a) è semplice e sembra completo, a frequenze elevate di
funzionamento o in presenza di commutazioni con fronti veloci, la situazione
si complica (fig.b) in quanto i condensatori reali possono essere molto
diversi da quelli ideali (ESR, ESL) e le tracce del circuito stampato, sia
piste che pads, costituiscono reti di impedenze e capacità parassite.
(L'immagine è tratta da una delle pubblicazioni di Analog
Devices. di cui si consiglia la consultazione).
In inglese si
definisce ground bounce una variazione transitoria del potenziale di
riferimento (o della tensione di alimentazione) dovuta alla variazione di
corrente assorbita dal un circuito.
Il picco di corrente richiesto deve essere fornito, quindi, da una sorgente ad
impedenza sufficientemente bassa, onde non rendere critiche le commutazioni a
causa delle cadute di tensione sulle piste di alimentazione.
Qui
entra in gioco
il condensatore di disaccoppiamento con la funzione di un
"serbatoio" locale
di energia.
Se vogliamo un equivalente meccanico, possiamo pensare agli ammortizzatori,
che, accumulando e rilasciando energia meccanica, forniscono un supporto
elastico che annulla o riduce i sobbalzi del movimento del veicolo.
Il
condensatore non è una pila o un accumulatore e non può
fornire alimentazione CC, ma può immagazzinare una certa quantità di
carica elettrica (= energia) proporzionale alla sua capacità e può rendere
questa energia in modo estremamente rapido, limitato praticamente solo
dalle componenti parassite del condensatore stesso (ESR, ESL).
Così, l' applicazione di un condensatore locale in parallelo all'
alimentazione la mantiene costante per impulsi di assorbimento di corrente da
centinaia di kHz a centinaia di MHz .
Disaccoppiamento è stato
definito come l'arte e la pratica della separazione ed eliminazione di
accoppiamenti indesiderati porzioni di sistemi e circuiti per garantirne il
corretto funzionamento
Dunque, disaccoppiare l' alimentazione ai
vari elementi del circuito significa annullare o limitare l'effetto
della domanda improvvisa di corrente.
Mentre il carico è inattivo,
il condensatore si carica a piena tensione di alimentazione; quando il carico
viene applicato, il condensatore fornisce l' impulso iniziale di
corrente.
Facendo in modo che l'induttanza delle piste sia arrivata a saturazione
prima del
momento in cui il condensatore esaurisce la carica, il circuito
avrà sempre a disposizione una tensione entro
i livelli corretti.
 |
E va chiarito che anche per quanto riguarda i circuiti lineari è necessario un
disaccoppiamento di alimentazione, tanto più curato quanto più è alta la
frequenza di funzionamento, onde evitare instabilita` e oscillazioni in
circuiti che possono disporre di un elevato guadagno.
A lato uno schema di
principio tratto da una informativa di Analog
Devices. Osservare anche qui l' indicazione della necessità
di un punto comune per la massa (= ritorno delle correnti), la cui
implementazione migliora grandemente la situazione nel funzionamento
con correnti variabili, annullando l' impedenza delle piste di ritorno
delle correnti stesse e facendo della massa un reale punto a
potenziale zero. |
Facciamogli un bypass
Un'altro aspetto del problema è quello dei disturbi presenti sull'
alimentazione, disturbi provenienti dall' esterno o generati da parti del
circuito stesso. Questo diventa sensibile in presenza di componenti con
elevate impedenze di ingresso, dove sono sufficienti basse correnti per
disturbare il funzionamento.
Per quanto riguarda i disturbi "esterni" al circuito, esempi
eclatanti sono quelli generati dai motori a collettore o dall' azionamento di
contatti (relè, teleruttori), ma anche rumore elettrico provocato da
alimentatori switching, trasmettitori radio, macchine trifasi, ecc.
Però deve essere chiaro che lo stesso circuito può contenere fonti di
rumore, anche solo in quelle sezioni dove sono presenti correnti impulsive che
interagiscono con i parametri di dispersione (induttanza e capacità
parassite) del circuito. Ma anche il rumore stesso dei semiconduttori, ad
esempio zener o regolatori di tensione, per non dire di relè, smps, ecc.
Ricordiamo che il condensatore riduce la sua impedenza all' aumentare della
frequenza
Xc = 1 / (2 p
f C)
dove f è la frequenza e C
la capacità.
Quindi il condensatore costituisce una via di passaggio delle componenti a frequenza
elevata presenti sulle linee di alimentazione e che costituiscono una parte
essenziale del disturbo, dato che la sua impedenza si riduce all' aumentare
della frequenza.
Facendo riferimento alla massa come punto comune di ritorno delle correnti che
circolano nei vari circuiti, lo scopo del condensatore è quello di
cortocircuitare a massa queste componenti a frequenza
elevata.
Questo, ricordiamo, ha senso non solo per i circuiti alimentati in corrente
alternata, ma anche (e sopratutto) per quelli in "corrente continua"
che proprio "continui" non sono e dove abbiamo fatto notare che sussistono componenti variabili che, nella
logica del circuito cc sono da considerare nocivi o comunque indesiderabili.
In inglese è definito bypass l' aggiunta di un percorso di bassa impedenza
per scaricare a massa i transitori.
| Ogni pin di un dispositivo attivo,
derivato dalla tensione di alimentazione, dovrebbe avere un proprio
condensatore di disaccoppiamento. |
Ne abbiamo visto un esempio nel secondo circuito proposto all' inizio della
pagina: C2 e C3 non hanno funzione di "serbatoio", ma quella di
bypass, assicurando la stabilità del regolatore.
Un
condensatore di disaccoppiamento di solito dovrebbe essere collocato il più
vicino possibile al dispositivo o direttamente posto sui pin di alimentazione.
L'obiettivo è quello
di minimizzare la quantità di induttanza e la resistenza serie della linea di
alimentazione tra il regolatore principale e il dispositivo stesso: maggiore
è la lunghezza delle connessioni e maggiori saranno le componenti
indesiderate. Dunque, la ragione della vicinanza tanto più stretta possibile
tra disaccoppiamento e dispositivo è giustificata.
Dato che i
condensatori si differenziano per le loro caratteristiche (e
condensatori con buone caratteristiche ad alta frequenza sono comunemente tipi di
piccola capacità, mentre i condensatori di grandi dimensioni hanno
solitamente peggiore risposta alle alte frequenze), il disaccoppiamento spesso
implica l'uso di una combinazione di condensatori. Per
esempio, in circuiti logici complessi, è comune una coppia composta da
un 100 nF ceramico, combinato con condensatore
elettrolitico o al tantalio da qualche uF a qualche decina di uF.
In particolare, i circuiti
a microprocessori, che funzionano ad
elevate frequenze, molte decine o centinaia di MHz, sono soggetti a correnti
impulsive di frequenze analoghe; in questi casi si
consiglia di utilizzare sempre condensatori a basso ESR, multistrato ceramici, anche
sotto forma di gruppi composti da più elementi.
Va osservato che
la la pratica di utilizzare coppie di condensatori non sempre è da considerare ideale, in
quanto, sopratutto in circuiti con alte frequenze di commutazione, gli effetti
combinati delle induttanze, capacità e resistenze parassite del circuito e
dei condensatori potrebbe innescare fenomeni di risonanza, con il
peggioramento della situazione.
In particolare,
il consiglio dato dai costruttori di circuiti integrati è quello di:
- Usare come minimo un condensatore per pin di alimentazione, posto
fisicamente vicino al pin stesso per ridurre l'induttanza parassita.
- Tenere la lunghezza dei conduttori ai condensatori inferiore a 6 mm tra
le terminazioni del condensatore e i pin degli ic.
- Utilizzare condensatori a bassa ESR/ESL
Qui alcune informazioni ulteriori sui condensatori
Ma che condensatore metto ?
In generale, un calcolo dei condensatori di disaccoppiamento,
dal punto di vista delle formule matematiche, richiede la conoscenza della quantità di
corrente circolante (dipendende dalla corrente necessaria per passare da
livello baso a livello alto, dal numero degli I/O, dalla caduta di
tensione ammissibile (dV) sulla Vcc, ecc.). Una formula generica per il
calcolo della capacità potrà essere:
C = [io * n x* dt / dV
Ad
esempio, per un buffer con 8 uscite, genere 244, 245, 541, e simili, con dV = 0.1 v, dt = 3ns, N =
8 e io = 44 mA, si avrà
C = 44 * 8 * 3 / 0.1 = 0.01056 uF.
Però verifiche, misure e test su questo genere di situazioni richiede
laboratori specifici e non è, in genere, alla portata del singolo
utente.
 |
Quindi la scelta di un valore comunemente utilizzato, 0.1 uF, consigliato
tra l' altro dai fogli applicativi della maggior parte dei circuiti integrati,
anche se generica, è più che valida.
Anche se il calcolo riporta a un elemento da 10 nF, il costo
e l' ingombro dei due condensatori, del genere ceramici monolitici, è praticamente lo stesso, per cui la
scelta è meglio cada sull' elemento di capacità maggiore, onde parare le
conseguenze di altri elementi parassitari non considerati.
Ormai si tratta di elementi di facile reperibilità e di costo
limitato, disponibili con coefficienti di temperatura X7R, X8R e C0G
(NP0) e con precisioni fino al 5% o meglio. |
Il valore del
condensatore di disaccoppiamento che dovrebbe essere utilizzato dipende dunque
dal
carico
del dispositivo, ma
va considerato anche il fattore molto complesso delle induttanze parassitarie
generate dal circuito stampato.
Per far fronte a questo si possono mettere in
pratica alcune strategie.
Una prima azione è quella di porre i condensatori di disaccoppiamento
quanto più stretti possibile al componente attivo, utilizzando piste per la
distribuzione dell' alimentazione sufficientemente ampie e brevi.
In caso di dubbio, il condensatore scelto dovrebbe essere maggiore del valore
calcolato.
Una seconda azione, necessaria per circuiti stampati di una certa ampiezza, è
quella di disporre le piste di alimentazione a bus o comunque a blocchi e
dotare i bus o i blocchi di disaccoppiamenti propri, preferibilmente con
condensatori al tantalio nel range 10-22 uF, o, se non disponibili, in
alluminio di buona qualità, nel range tra 22 e 220 uF, in grado di fornire le
correnti di ripple previste per quella data sezione.
Preferibilmente, invece di condensare le capacità in un solo punto, è
opportuno distribuirle uniformemente lungo le piste di alimentazione.
In generale è funzionale utilizzare un solo valore, o un numero ridotto di
valori, dei condensatori di disaccoppiamento di
tutte le periferiche della scheda. Il valore deve soddisfare il caso
peggiore.
In ogni caso, oltre al valore della capacità ed alla qualità del
condensatore, conta sempre sensibilmente il "dove" viene posto.
 |
Ecco, ad esempio, un suggerimento di Altera
dal suo documento Power
Supply Integrity .
Da notare che sono specificate le distanze massime dal componente per
i condensatori di bypass.
Si ricorre alla classica distribuzione composta da : |
- un elettrolitico di capacità elevata, per la compensazione generale dei
transitori di corrente (470-3300 uF)
- condensatori al tantalio (bassa ESR) a breve distanza da ogni
dispositivo (47-100 uF)
- condensatori ceramici MLC (bassissima ESR/ESL) a brevissima distanza dai
pin (10 -100 nF)
Vediamo nelle foto seguenti alcuni esempi di posizionamento di condensatori
sulle linee di alimentazione.
|
|
|
|
Classica disposizione dei condensatori di bypass sull'
alimentazione di ogni singolo IC in una scheda VME bus |
Un blocco di integrati TTL a cui è applicato un
condensatore di bypass (uno per ogni integrato), fissati quanto più
vicino possibile ai pin di alimentazione. |
|
|
 |
| Zoccolo con condensatore di bypass integrato (Mill-Max
Manufacturing). Questa soluzione evita il piazzamento del
condensatore sullo stampato, risparmiando spazio. |
Multistrato 0.1 uF e tantalio 4.7 uF associati
strettamente ai pin di alimentazione di uno
zoccolo che ospita microcontroller PIC. |
E, dato che la frequenza, intesa anche come pendenza dei fronti di
commutazione, è un elemento di grande importanza, si può dire che, sotto i
50 MHz, il disaccoppiamento in generale non è gravoso, seguendo le
indicazioni di massima dette prima. Uno o due condensatori (spesso 0,01 uF -
10 uF o più) collocati vicino all' ic sono adeguati.
Per frequenze superiori, o dove circolano correnti impulsive consistenti, con
fronti di salita molto veloci può essere necessario ricorrere a qualche forma
di capacità distribuita. Ciò può essere ottenuto utilizzando molti piccoli
condensatori sparsi intorno l'IC o sfruttando la capacità interplane del
circuito stampato multi layer.
In particolare si deve considerare che se reti L-C sono poste in parallelo, la
capacità totale è pari alla somma delle capacità e l'induttanza totale è
ridotta n volte, dove n è il numero di elementi utilizzati. Altrettanto per
la resistenza ESR.
C = C1+C2+C3..Cn R = R1||R2||R3...Rn
Ovviamente, condensatori a minore l'induttanza e minore resistenza
daranno risultati migliori.
Intel, ad esempio, consiglia di impiegare
ben 41
condensatori in gruppi in parallelo per disaccoppiare efficacemente un microprocessore
Pentium ®-2 (Intel Application Note
AP-579).
Osservare come la specifica indichi anche le caratteristiche di ESR e
ESL
massime ammissibili, oltre al tipo di condensatore da impiegare.
|
|
La stessa pubblicazione indica anche un consiglio sul posizionamento
dei condensatori che saranno distribuiti, ma in ogni caso molto a
ridosso dei pin.
In particolare, approfittando dello spazio vuoto centrale dello
zoccolo, alcuni condensatori vi trovano posto.
Data la complessità del chip, si tratta di una realizzazione in SMD,
su circuiti stampati a molti strati (anche 6 o più), di alcuni fungono
da masse-schermi o da distribuzione dell' alimentazione, allo scopo di
minimizzare gli effetti parassitari delle piste. |
A lato, l' immagine di uno zoccolo per processore Intel Socket
370. Approfittando
del
vano
centrale dello zoccolo, si utilizza questo spazio per collocare numerosi condensatori di bypass delle linee di
alimentazione
del processore,
assieme a resistenze di terminazione delle linee logiche e al sensore di
temperatura (in blu al centro dell' immagine).
La disposizione
consente di avere i condensatori di bypass dallo stesso lato dei componenti
trough hole e, nello stesso tempo, molto vicini ai pin del processore. La
tecnologia SMD è di rigore in questo genere di assemblaggi ad altissima
densità. |
|
 |
Nell' immagine
a lato, i più recenti sviluppi dei condensatori a bassissimo ESR/ESL (AVX),
realizzati con nuove tecnologie multistrato in ceramica.La diversa
struttura e la particolare geometria offrono ESL ancora inferiori
ai noti MLCC, anche al di sotto dei 40 pH (LGA). Si tratta di componenti
SMD previsti per applicazioni speciali (alte frequenze, aerospaziale,
ecc.). |
Nel caso di CPU microprocessore come quella esemplificata, i consumi del
componente possono sono elevati, da qualche decina a oltre 120 watt. E,
trattandosi di tensioni molto basse (5, 3.3, 2,5, 1.8V) le correnti sono
particolarmente intense e si ricorre alla realizzazione di aree di
alimentazione on board (VRM - Voltage Regulation Module) in modo da rende
quanto più corte possibili le connessioni tra questi e il processore.
|
Ad esempio, questo gruppo VRM
on-board ad alte
prestazioni per generare le tensioni di core di una CPU AMD AM-3, su
scheda madre ASUS.
Evidente
la scelta di utilizzare un sistema di alimentazione switching polifase con
un elevato numero di condensatori, induttori e MOSFET che aumenta il rendimento e di conseguenza riduce il calore
prodotto dagli elementi di commutazione.
Il parallelo dei condensatori riduce ESR/ESL e aumenta il picco di
corrente erogabile.
|
Da osservare anche l'evidenziazione dell' uso di condensatori a lungo
MTBF (5000 ore): il costruttore ci tiene a far sapere che non usa bad-cap.
Solitamente circuiti con microcontroller embedded richiedono correnti molto
più limitate, anche perchè la tendenza attuale è quella di minimizzare il
consumo energetico, e quindi sono relativamente semplici da considerare. Le
sezioni logiche hanno consumi dell' ordine dei milliampere, ma particolarmente
sensibile diventa, invece, il problema nei circuiti in cui sono presenti I/O e
in cui scorrono correnti
impulsive elevate, dell' ordine delle centinaia di milliampere. Caso comune è
la presenza di attuatori di uscita (relè, solenoidi, motori e simili) o LED
con correnti elevate oppure circuiti di PWM su elementi (motori, lampade,
riscaldatori, LED, ecc) che consumano correnti sensibilmente maggiori di quelle
della sezione logica.
 |
Qui si rende necessario un disaccoppiamento consistente, oltre che sui singoli
ic, sopratutto tra l'
alimentazione della parte logica e di quella di potenza, che, attraversate da
correnti elevate sono fonte di rumore elettrico e di transitori
anche consistenti.
Si può ricorrere allora a separazioni con reti costituite da diodo/condensatore o resistenza/induttanza/capacità per
formare filtri RC o LC, che costituiscono una opposizione alle brusche
variazioni di corrente e quindi si oppone al passaggio di componenti a
frequenza elevata. |
Si ottiene così la separazione tra gli effetti delle correnti variabili in
una sezione da quelle delle rimanenti, sopratutto se queste ultime sono
costituite da circuiti logici o analogici che hanno sensibilità elevata ai
disturbi sulla tensione di alimentazione.
|
|
Anche la tecnica di utilizzare stabilizzatori di tensione separati per ogni
sezione del circuito può risultare molto efficace, in quanto ogni
stabilizzatore dovrà fare fronte alle esigenze di una solo parte del sistema
e potrà essere dimensionato al meglio.
In sostanza si distribuisce una tensione primaria, stabilizzata o
meno a seconda delle esigenze, e si provvede alla stabilizzazione e
regolazione "locale" per ogni sezione del circuito.
L' uso di regolatori di dimensioni ridotte al posto di un grosso
sistema di alimentazione, oltre a migliorare il rendimento (meno
calore), può risultare anche un
miglioramento per quanto riguarda i costi. |
L' esempio visto sopra dei regolatori VRM on board, tipici delle schede
madri e delle schede video PC è un esempio di distribuzione dell'
alimentazione: l' alimentatore del PC produce un +12V che alimenta i singoli
VRM dai quali vengono derivate le più varie tensioni, in genere basse
tensioni con late correnti per l' alimentazione delle CPU e GPU. L' elevata
efficienza dei VRM, che lavorano a frequenze anche di MHz, la vicinanza ai
carichi e la suddivisione in molte unità consente di ottenere prestazioni che
non sarebbero possibili ad una alimentazione completamente centralizzata.
In ogni è indispensabile l' uso di elementi capacitivi a basso
ESR : dato che saranno i condensatori a fornire le correnti di ripple, la resistenza,
in serie con
la corrente, produce una perdita di energia che si riflette in una dV elevata
e nella produzione di calore indesiderato.
In particolare, il parallelo di condensatori consente di avere una corrente
di picco pari alla somma delle singole correnti di picco. Quindi, in generale,
è spesso più opportuno, dove si vuole ottenere il massimo di prestazione,
utilizzare un parallelo di condensatori che non un unico elemento di grande
capacità.
 |
Elementi in classe di temperatura 105 °C o 125 °C o più
saranno una scelta
migliore che non elementi da 85 °C, mentre sono senz'altro da sconsigliare
condensatori commerciali low cost.
Tra l' altro, questi elementi hanno di norma specificato il valore
di ESR e sono disponibili anche in serie a bassissimo ESR.
Inoltre, questi modelli solitamente hanno una durata di vita più
elevata ed una possibilità di corrente di ripple molto maggiore dei
modelli consumer (anche se il costo è ovviamente superiore). |
In particolare, sarà molto opportuno verificare se questa corrente di ripple
sostenibile dal condensatore sia adeguata al carico e far si di scegliere un elemento che abbia un
margine sufficiente rispetto al consumo impulsivo del circuito.
Per queste ragioni sarà anche consigliabile utilizzare più elementi in
parallelo rispetto ad un solo grosso condensatore: la capacità di corrente di
ripple viene aumentata, mentre l' ESR viene diminuita dalla connessione in
parallelo.
In generale si può valutare una capacità di 1000 uF (o più) per ampere, ma
alcuni modelli di condensatore consento ripple minori o anche decisamente
maggiori ed è
opportuna una scelta oculata, consultando le caratteristiche dei vari modelli,
dato che i costi sono molto variabili da produttore a produttore e da modello
a modello. E' normale che nel catalogo di un buon costruttore di elettrolitici siano
disponibili molti modelli con caratteristiche differenti: l' accontentarsi
della scelta di un elemento qualunque non certo la migliore soluzione.
Una breve ricerca permette solitamente di trovare elementi con sufficiente
corrente di ripple senza aumentare drammaticamente le capacità in gioco e
quindi limitando anche i costi.
Come ultimo appunto, si deve comunque considerare che un parallelo di
condensatori a basso ESR/ESR potrà fornire sì una levata energia in scarica,
ma, proprio grazie ai ridotti parametri parassitari, richiederà una corrente
più intensa al momento iniziale della carica. Questo fatto va valutato in
relazione alla possibilità di picco del sistema di alimentazione, in
particolare riguardo alla corrente che è richiesta a raddrizzatori e
regolatori.
Alcune regole generali.
- Tutti i componenti attivi devono avere condensatori di
disaccoppiamento delle alimentazioni posizionati quanto più vicino
possibile ai pin.
- In generale un multistrato ceramico da 0.1uF è adeguato alle situazioni
comuni. Nel caso di assorbimenti di corrente maggiori va accoppiato un
elettrolitico a basso ESR
.
- E' preferibile impiegare più condensatori in parallelo piuttosto che un
unico grosso elemento: il parallelo riduce le componenti parassite ESR/ESL mentre
si aumenta la capacità di corrente di ripple.
- Non tutti i condensatori sono uguali! Verificate se possibile le
caratteristiche dal sito del costruttore ed evitate l' uso di economici
elementi consumer, sopratutto per quanto riguarda elettrolitici in
alluminio cilindrici e a film plastico a scatoletta. Per applicazioni
"serie" vanno preferiti elettrolitici 105 °C o meglio, tantalio
e ceramica multistrato.
- Le piste di alimentazione vanno curate per brevità di percorso e
superficie adeguata al passaggio delle correnti richieste dal circuito. Se
necessario, utilizzare basette con rame di spessore maggiore o sovra
stagnare i percorsi ad elevata corrente.
- Per quanto possibile evitare fili volanti per le alimentazioni. Se
necessari per il collegamento tra l' alimentatore e le schede, posizionare
su queste ultime degli elettrolitici adeguati all' arrivo dei cavi.
- Mantenere ordine nelle connessioni e non incrociare cavi di segnale con
cavi di alimentazione. Utilizzare cavi schermati e altri sistemi di
isolamento dove necessario separare ingressi sensibili da fonti di
disturbo.
- Dove necessario, separare le alimentazioni della parte logica da quella
analogica.
- Nel caso di circuiti complessi, utilizzare la distribuzione della
tensione principale non stabilizzata ed installare stabilizzatori locali
per ogni sezione.
- Cura particolare dovrà essere rivolta a circuiti con elevate correnti,
fronti di commutazione rapidi o alte frequenze di funzionamento.
E, in ogni caso, verificare sui siti dei costruttori le caratteristiche dei
componenti e i consigli dati per il loro utilizzo.
Ultima nota: quanto detto ed esemplificato sembra riguardare
solamente l' area professionale, le CPU di Intel o AMD o circuiti
complessi che occupano decine di schede. Ma non è così.
Il problema di disaccoppiare le alimentazioni è fondamentale
anche per un circuito costituito da un semplice operazionale o da un
PIC e una manciata di LED:
in qualunque situazione in cui si impieghi
un qualsiasi componente attivo, op amp, microcontroller, logica CMOS o
regolatore di tensione, condensatori di bypass sono indispensabili.
L' omettere questi componenti, anche nel più
semplice circuito, porta fatalmente ad
instabilità e cattivo funzionamento.
In particolare, se condensatori di disaccoppiamento
sono indispensabili nelle realizzazioni su circuito stampato, ancor
più lo sono nel caso di circuiti sperimentali, "volanti" o
su breadboard: il fatto che siano "sperimentali" non
impedisce all'assenza dei condensatori nei giusti punti dell'
alimentazione di rendere problematico il funzionamento.
|
Speriamo che quanto detto in questa breve panoramica permetta di
comprendere l' importanza di una parte, da molti considerata
"marginale".
