Der vollständige Leitfaden für Low-ESL-Kondensatoren

Widerstände, Kondensatoren und Induktoren… sie sind grundlegende Komponenten und in Ihren Elektronikkursen wird immer impliziert, dass diese Komponenten genau so funktionieren, wie in Lehrbüchern beschrieben. Leider ist das einfach nicht wahr; Ihr Kondensator wird sich letztendlich bei hohen Frequenzen wie ein Induktor verhalten, was zu unerwünschtem Verhalten und falscher Impedanz in Ihren Schaltkreisen führt.

Der Übeltäter ist die äquivalente Serieninduktivität oder ESL. Alle Kondensatoren haben eine gewisse parasitäre ESL, die bei ausreichend hohen Frequenzen messbar wird, und es ist nur eine Frage, ob der ESL-Wert für Ihre spezifische Anwendung von Bedeutung ist. Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme, RF-Systeme und viele andere Anwendungen erfordern speziell Kondensatoren mit niedriger ESL, um die Zielimpedanz festzulegen, innerhalb des gewünschten Frequenzbereichs zu filtern und die Entkopplung in einem PDN einer PCB zu gewährleisten.

Einige Datenblätter von Komponenten oder Anwendungshinweise besagen einfach, dass Sie einen bestimmten Typ von Kondensator verwenden müssen, ohne weitere Erklärung, während andere Datenblätter einen Kondensator mit einem spezifischen ESL-Wert verlangen, aber ohne weitere Anleitung. Wie können Sie also sicher sein, dass Sie den richtigen Kondensator mit niedriger ESL in Ihrem Design verwenden? Die Richtlinien, die ich hier zusammengestellt habe, sollten Ihnen helfen, zu verstehen, wie Sie Kondensatoren mit niedriger ESL für fortgeschrittene Anwendungen finden und auswählen können.

Was ist niedrige ESL?

Alle Komponenten haben einige Parasiten, was bedeutet, dass sie unbeabsichtigte Induktivität, Widerstand und Kapazität aufweisen. Diese Parasiten verursachen, dass das reale elektrische Verhalten einer Komponente anders ist als das ideale Verhalten der Komponente. Sie können aufgrund der Konstruktion der Komponente selbst oder aufgrund der Art und Weise, wie die Komponente auf einer PCB platziert wird, entstehen. Im Allgemeinen verhalten sich passive Bauelemente bei Gleichstromversorgung wie ideale Komponenten, aber Parasiten beginnen, das elektrische Verhalten bei hohen Frequenzen zu übernehmen.

Kondensatorschaltmodell mit ESL

In einem Kondensator ist die äquivalente Serieninduktivität (ESL) die scheinbare Induktivität in einem Kondensator, die erst jenseits bestimmter Frequenzen bemerkbar wird. Es gibt auch einen gewissen äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Schließlich gibt es einen gewissen Leck- oder Bulk-Widerstand im Kondensator, der parallel zur idealen Kapazität, ESL und ESR existiert. Dies wird im folgenden Bild sowie die wahre Impedanz des Kondensators gezeigt.

Weil das Dielektrikum im Kondensator stark isolierend ist, ist der Wert von Rbulk normalerweise sehr groß (~100 GOhm), sodass er bei der Berechnung der Impedanz des Kondensators ignoriert werden kann. Daher müssen wir uns auf die ESL- und ESR-Werte konzentrieren, wenn wir Kondensatoren auswählen.

Selbstresonanz und ESL

Wenn Sie sich das oben genannte Schaltungsmodell ansehen, werden Sie feststellen, dass ein realer Kondensator ein RLC-Schaltkreis ist und somit eine selbstresonante Frequenz hat, wie oben definiert. Ähnliche RLC-Modelle werden verwendet, um das reale Verhalten von Induktoren, Transformatoren und sogar Halbleitern wie Dioden und Transistoren zu beschreiben. Diese selbstresonante Frequenz ist der Grund, warum reale Kondensatoren sich wie Induktoren verhalten können; wenn die Antriebsfrequenz größer als die selbstresonante Frequenz ist, dominiert das induktive Verhalten der Komponente.

Warum niedrige ESL und ESR haben?

Im Allgemeinen kann man nie einen Kondensator mit null ESL und ESR haben, aber einige Anwendungen erfordern sehr niedrige Werte.

Es gibt drei Gründe, warum man niedrige ESL-Werte bei der Auswahl eines Kondensators wünscht, insbesondere für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit/hoher Frequenz:

• In Filteranwendungen: Niedrige ESL bedeutet, dass die selbstresonante Frequenz höher ist, sodass sich der Kondensator über breitere Frequenzen wie eine ideale Komponente verhält.

• In Leistungsanwendungen: Die transiente Antwort wird schneller sein, was bedeutet, dass der Kondensator schneller entladen und Leistung liefern kann. Die gleichen Vorteile für Filterung gelten auch in Leistungsanwendungen. Niedriger ESR ist auch hier wichtig, da das Laden/Entladen schneller ist, wenn der ESR niedriger ist.

• In Entkopplungsanwendungen: Bei der Verwendung zur Entkopplung/Umkopplung an Hochgeschwindigkeits-ICs bieten Kondensatoren mit niedrigem ESL eine größere Reduzierung von Ground Bounce und Supply Bounce.

Das Bild unten zeigt, wie ESL die Impedanz eines theoretischen 10 nF Kondensators mit 0,01 Ohm ESR beeinflusst. Die verschiedenen Kurven zeigen Impedanzprofile für unterschiedliche ESL-Werte (1 nH, 10 nH und 100 nH). Aus dem Diagramm sehen wir, dass die Impedanz bis zur selbstresonanten Frequenz kapazitiv ist, unabhängig vom ESL-Wert, und dann jenseits der selbstresonanten Frequenz induktiv wird. Wir sehen, dass die Impedanz 

Für Kondensatoren, die in Anwendungen wie Schaltnetzteilen, Wechselrichtern oder Leistungswandlern verwendet werden, ist ESL im Allgemeinen kein so großes Problem. PWM-Treibersignale sind in der Regel langsam genug, dass der Großteil der Leistung unterhalb der selbstresonanten Frequenz konzentriert ist, sodass fast jeder Kondensator mit hoher Spannungsfestigkeit verwendet werden könnte. Die Ausnahme ist, wenn Sie sich für eine viel höhere Schaltfrequenz (MHz und höher) und schnellere Anstiegszeit (~1 ns) entscheiden, um eine sehr effiziente Leistungsumwandlung zu gewährleisten. In diesem Fall könnte Ihr PWM-Treiber eine Selbstresonanz anregen, und Kondensatoren mit niedrigem ESL sind erforderlich.

Für digitale Entkopplungsanwendungen, bei denen wir sicherstellen müssen, dass der in eine PCBs PDN (Power Distribution Network) gezogene Strom glatt ist, hilft die Verwendung von Kondensatoren mit niedrigem ESL (Equivalent Series Inductance), die PDN-Impedanz bis zu höheren Frequenzen glatt zu halten. Das Ziel ist es, die PDN-Impedanz unter einem bestimmten Zielwert zu halten, da eine niedrige Impedanz eine kleine Spannungsstörung auf dem PDN bedeutet. Deshalb werden Ihnen veraltete Anwendungshinweise für Hochgeschwindigkeitsdesigns sagen, dass Sie drei Kondensatoren zur Entkopplung jedes ICs verwenden sollen (10 nF, 1 nF und 100 pF). Für fortschrittliche Komponenten wie hochgeschwindigkeits-FPGAs, die sehr kurze Anstiegszeiten haben können, kann die Entkopplungsstrategie viel komplexer sein, da wir eine flache Impedanz bis zu 10ern oder 100ern von GHz benötigen.

Was bestimmt die ESL- und ESR-Werte eines Kondensators?

Es gibt drei Faktoren, die zu den ESL- und ESR-Werten eines Kondensators beitragen. Dazu gehören:

• Dielektrisches Material: Der Kontaktwiderstand zwischen dem Dielektrikum und dem Kondensatoranschluss bestimmt den ESR-Wert, und die Permeabilität des Dielektrikums bestimmt den ESR-Wert.

• Paketgröße: Dieser Faktor hat den größten Einfluss auf ESL und ESR in einem Kondensator. Größere Pakete haben größere Anschlüsse und Kontakte gegen das Dielektrikum, so dass sie größere ESL-Werte haben können.

• Montagestil: Durchsteckkomponenten tendieren dazu, höhere ESL-Werte als SMD-Kondensatoren zu haben, aufgrund der großen Größe der Anschlüsse bei Durchsteckkondensatoren.

Da das im Kondensator verwendete dielektrische Material ESL und ESR bestimmt, können wir jetzt verstehen, warum einige IC-Datenblätter und Anwendungshinweise einen spezifischen Kondensatortyp empfehlen. Bestimmte Arten von Kondensatoren (z.B. Tantal, Keramik usw.) neigen dazu, niedrigere Eigenresonanzfrequenzen zu haben, daher sind sie eine bessere Wahl für den Einsatz in Hochgeschwindigkeits-Digitalanwendungen. In der Zwischenzeit geht es bei der Leistungselektronik mehr darum, eine hohe Spannungsfestigkeit zu gewährleisten und eine stabile Gleichstromausgabe aufrechtzuerhalten, sodass ESL und Eigenresonanz weniger wichtig sind.

Auswahl eines Kondensators mit niedrigem ESL

Leider, wenn Sie einen Kondensator mit niedrigem ESL finden müssen, machen die meisten Datenblätter einen schlechten Job, indem sie Ihnen einen spezifischen Wert für ESL geben. Datenblätter könnten einen besseren Job machen, indem sie einen ESR-Wert anzeigen, der wichtig ist, um zu verstehen, wie flach die Impedanzkurve ist. Einige Datenblätter für Kondensatoren, die speziell als Hochfrequenzkondensatoren vermarktet werden, können eine Impedanz-gegen-Frequenz-Kurve enthalten, die Ihnen sofort hilft zu bestimmen, ob der Kondensator Ihre Bandbreitenanforderungen erfüllt.

Identifizieren Sie einen geeigneten Kondensator mit niedrigem ESL

Da die ESL-Werte von Kondensatoren selten in Datenblättern zu finden sind, müssen Sie sich Produktführer des Herstellers ansehen. Wenn Sie ein Diagramm wie das unten gezeigte finden können, können Sie eine gute Vorstellung vom ESL-Wert Ihres Kondensators bekommen. Das folgende Diagramm zeigt, wie Selbstresonanz und Kapazität für die American Technical Ceramics 600er Serie von MLCCs zusammenhängen, und die Steigung der Kurve steht im Zusammenhang mit dem ESL-Wert des Kondensators.

Digital vs. Analog

Die Auswahl eines Low-ESL-Kondensators für ein analoges System, wie ein kabelloses System, ist ziemlich einfach. Überprüfen Sie einfach, ob der Kondensator sich wie ein idealer Kondensator verhält und dass seine Eigenresonanzfrequenz größer als die Betriebsfrequenz im System ist. Da digitale Signale breitbandig sind, müssen Sie die gesamte Impedanz- gegen Frequenzkurve mit Ihrer Signalbandbreite vergleichen, Sie können nicht nur eine einzelne Frequenz betrachten.

Entkopplung mit Low-ESL-Kondensatoren

Denken Sie daran, physisch kleinere Kondensatoren haben niedrigere ESL-Werte und somit eine höhere Eigenresonanzfrequenz; das ist ein weiterer Grund, warum physisch kleinere Kondensatoren für Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme empfohlen werden. Wenn Sie sich das Layout und das PDN-Entkopplungsschema in einem typischen Hochgeschwindigkeits-Digitalsystem ansehen, werden Sie feststellen, dass mehrere Kondensatoren parallel im Entkopplungsnetzwerk platziert sind. Es gibt einen spezifischen Grund dafür: Die Verwendung von mehreren gleichen Kondensatoren parallel erhöht die gesamte äquivalente Kapazität und verringert die PDN-Impedanz, aber es ändert nicht die Resonanzfrequenz. Dies wird im Beispiel unten für 5 Kondensatoren mit den gleichen C- und ESL-Werten gezeigt.

Ich habe ESR im obigen Diagramm ignoriert, aber wir erhalten unabhängig davon das gleiche Ergebnis; ich werde dies als Übung für den Leser lassen. Der Punkt hier ist, wenn Sie einen Low-ESL-Kondensator mit hoher Eigenresonanzfrequenz auswählen müssen, können Sie eine kleinere Kapazität verwenden und einfach mehrere Kondensatoren parallel schalten. Die Frequenzantwort für einen einzelnen Low-ESL-Kondensator oder mehrere identische Kondensatoren parallel wird gleich sein.

Die gleichen Ideen gelten nicht streng für verschiedene Kondensatoren mit unterschiedlichen C- oder ESL-Werten, die parallel platziert werden. In diesem Fall wird es aufgrund der Interaktion zwischen verschiedenen RLC-Netzwerken mit unterschiedlichen Polen mehrere Resonanzspitzen geben, und eine gründlichere Analyse ist erforderlich, um die Impedanz und Frequenzantwort dieser Kondensatornetzwerke zu verstehen.

Verwenden Sie die beste Suchmaschine, um Low-ESL-Kondensatoren zu finden

Die beste Suchmaschine für elektronische Teile kann Ihnen helfen, sich auf spezifische ESR-Werte, Montagestile, Dielektrikumsmaterialien und natürlich Kapazitätswerte einzugrenzen. Wenn Sie es auf spezifische Materialtypen eingrenzen können, können Sie verschiedene Arten von Kondensatoren identifizieren, die wahrscheinlich niedrige ESL-Werte haben.

Wenn Sie Low-ESL-Kondensatoren in Standardpaketen von großen Herstellern finden müssen, nutzen Sie das umfassende Set von fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart verwenden, haben Sie Zugang zu aktualisierten Distributorenpreisdaten, Teileinventar und Teilespezifikationen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit passiven Komponenten, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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