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Les condensateurs de découplage

J’ai découvert les condensateurs de découplage lors de mon tout premier projet concret basé sur un microcontrôleur. Le projet était un chargeur de batterie LiPo, avec un pack de batterie à 3 cellules. La plus grande partie du projet se focalisait sur la conception du firmware; avec juste quelques relais pour commuter les cellules, un afficheur LCD et des boutons (bien sûr il y avait aussi des grosses résistances bobinées afin de décharger les cellules si nécessaire).

J’ai conçu et simulé la totalité du projet avec Proteus, en déboguant et retouchant le firmware jusqu’à ce qu’il soit ‘parfait’.

Ensuite je suis passé à la réalisation du projet physique, ce qui fut fait avec une plaque à trous (stripboard). Ensuite, je suis arrivé à l’étape de mettre sous tension mon circuit pour vérifier que j’avais correctement répliqué le schéma sur la plaquette à trous, tout en espérant qu’aucune fumée ne s’échappe d’un des composants ; je fus soulagé de constater que l’afficheur s’alluma et que le texte précédemment codé apparut. Cependant, étonnamment, tout ne se passait pas bien; le firmware avait un comportement erratique et redémarrait de manière aléatoire.

Conceptuellement (et plus spécifiquement au niveau du schéma), une alimentation fournit une tension stable à tous les éléments auxquels elle est reliée ! Dans le monde réel cependant, les choses sont un peu plus compliquées. Toutes les pistes du PCB (ou les fils dans le cas de mon montage) ont une inductance et une résistance, et les alimentations (comme pour le composant régulateur 7805 que j’utilisais) ne répondent pas instantanément aux changements demandés. Il existe également des effets CEM (interférences électromagnétiques) à considérer.

Les circuits intégrés, tel un microcontrôleur, nécessitent une tension stable sur les liens d’alimentation – si des chutes de tensions surviennent ou des bruits, alors les transistors internes au circuit intégré (CI) auront un comportement erratique.

Lorsque les transistors internes aux CI commutent et que la puissance nécessaire au pilotage des charges externes change, la quantité de courant utile au CI varie; si l’impédance est importante dans les lignes entre le CI et l’alimentation, alors la tension au niveau du CI va baisser dans l’attente du rattrapage.

Imaginez un barrage avec un long canal et une grosse porte d’écluse à l’extrémité du canal – si vous ouvrez soudainement la porte d’écluse alors le niveau d’eau (la tension) va baisser rapidement et il faudra du temps pour que l’eau en provenance du barrage (la source d’alimentation) compense cette baisse.

La fourniture de puissance n'est pas instantanée.

La solution est d’avoir un plus petit canal (un condensateur) le plus près possible de la porte d’écluse ; c’est le rôle du condensateur de découplage.

Les petits réservoirs localisés assurent une alimentation lissée et réactive.

Voilà ce que sont, en résumé, les condensateurs de découplage. Vus de cette façon, ce sont de petites sources d’énergie proches de la demande pour aider à la stabilité lors de variations rapides de la demande en énergie. L’idée générale est de les rapprocher le plus possible de la demande afin de réduire les impédances (inductance, résistance) entre eux et le CI.

Du point de vue de la théorie des radiofréquences, les condensateurs dévient les hautes fréquences AC vers la masse, pour fournir un DC stable au circuit intégré ; c’est pourquoi on utilise également le terme « bypass capacitor ».

STM32: condensateurs de découplage recommandés

Ceci est un extrait d’une notice technique de module GSM :

Différents condensateurs de découplage utilisés avec un chip GSM.

Pour les circuits à haute vitesse, qui travaillent avec des vitesses d’horloge en GHz, les choses deviennent encore plus compliquées. Les condensateurs eux-mêmes ont une inductance et une résistance ; la règle générale est que plus la dimension physique est petite (pas petite en termes de capacitance) plus l’inductance sera faible – donc il est conseillé d’utiliser les condensateurs les plus petits possibles (t.q. un boîtier 0402 qui est préférable par rapport à un 0603) et de les placer au plus près de la demande. Les condensateurs à trous traversants sont relativement gros avec de longues broches, ce qui les rend inadaptés pour cette fonction. Dans l’extrait du module GSM ci-dessus, plusieurs condensateurs de découplage de valeurs différentes sont recommandés – plus le condensateur est petit, plus il réagit vite, tandis qu’un condensateur plus gros, moins réactif, aura par contre une capacitance plus importante. Ce point concernant la réactivité des condensateurs en relation avec la taille des boîtiers fait débat. Le fait de placer des condensateurs de valeurs différentes en parallèle peut aussi modifier l’impédance et créer des pics de résonance et d’antirésonance . En cas de doute, suivez les recommandations du fabricant !

Si la fréquence du bruit que verra le condensateur est connue, alors l’idée est de choisir un condensateur avec une série de fréquences propres proches de la fréquence du bruit (point d’inflexion des graphes ci-dessous) :

Graphes de caractéristiques impédance-fréquence

A cette fréquence l’impédance du condensateur sera la plus faible, ce qui optimisera le passage du bruit vers la masse (bypass).

Pour les personnes qui ne maîtrisent pas la complexité des projets à haute-vitesse, suivez les conseils des fabricants (qui recommandent habituellement de placer des condensateurs de 100nF au plus près des liens d’alimentation du CI) pour obtenir un fonctionnement stable.


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Traduction française

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