La Guía Completa de Capacitores de Baja ESL

Resistencias, capacitores e inductores... son componentes fundamentales y tus clases de electrónica siempre implican que estos componentes funcionan exactamente como se describe en los libros de texto. Desafortunadamente, eso simplemente no es cierto; tu capacitor eventualmente se comportará como un inductor a altas frecuencias, lo que lleva a comportamientos no deseados e impedancia incorrecta en tus circuitos.

El culpable es la inductancia en serie equivalente o ESL. Todos los capacitores tienen algo de ESL parasitaria que se vuelve medible a frecuencias suficientemente altas, y solo es cuestión de si el valor de ESL importa para tu aplicación específica. Los sistemas digitales de alta velocidad, los sistemas de RF y muchas otras aplicaciones requieren específicamente capacitores de bajo ESL para establecer la impedancia objetivo, filtrar dentro del rango de frecuencia deseado y asegurar el desacoplamiento en la PDN de un PCB.

Algunas hojas de datos de componentes o notas de aplicación simplemente indican que debes usar un cierto tipo de capacitor sin ninguna explicación más amplia, mientras que otras hojas de datos pedirán un capacitor con un valor específico de ESL pero sin ninguna otra orientación. Entonces, ¿cómo puedes estar seguro de que estás usando el capacitor de bajo ESL correcto en tu diseño? Las pautas que he compilado aquí deberían ayudarte a comenzar a entender cómo encontrar y seleccionar capacitores de bajo ESL para aplicaciones avanzadas.

¿Qué es el ESL Bajo?

Todos los componentes tienen algunos parásitos, lo que significa alguna inductancia, resistencia y capacitancia no intencionadas. Estos parásitos hacen que el comportamiento eléctrico real de un componente sea diferente del comportamiento ideal del componente. Pueden surgir debido a la construcción del propio componente, o debido a la forma en que el componente se coloca en un PCB. En general, cuando se suministra con energía de CC, los pasivos se comportarán como componentes ideales, pero los parásitos comienzan a tomar el control del comportamiento eléctrico a altas frecuencias.

Modelo de Circuito de Capacitor con ESL

En un capacitor, la inductancia en serie equivalente (ESL) es la inductancia aparente en un capacitor, que solo se vuelve notable más allá de ciertas frecuencias. También hay alguna resistencia en serie equivalente (ESR). Finalmente, hay alguna resistencia de fuga o resistencia masiva en el capacitor, que existe en paralelo con la capacitancia ideal, ESL y ESR. Esto se muestra en la siguiente imagen, así como la verdadera impedancia del capacitor.

Debido a que el material dieléctrico en el capacitor es fuertemente aislante, el valor de Rbulk es normalmente muy grande (~100 GOhms), por lo que se puede ignorar al calcular la impedancia del capacitor. Por lo tanto, necesitamos enfocarnos en los valores de ESL y ESR cuando seleccionamos capacitores.

Auto-Resonancia y ESL

Si observas el modelo de circuito anterior, verás que un capacitor real es un circuito RLC, por lo que tiene cierta frecuencia de resonancia propia como se define arriba. Modelos RLC similares se utilizan para describir el comportamiento real de inductores, transformadores e incluso semiconductores como diodos y transistores. Esta frecuencia de resonancia propia es la razón por la cual los capacitores reales pueden actuar como inductores; cuando la frecuencia de excitación es mayor que la frecuencia de resonancia propia, el comportamiento inductivo del componente domina.

¿Por qué tener bajo ESL y ESR?

En general, nunca puedes tener un capacitor con ESL y ESR cero, pero algunas aplicaciones demandan valores muy bajos.

Hay tres razones por las que quieres valores bajos de ESL al seleccionar un capacitor, particularmente para aplicaciones de alta velocidad/alta frecuencia:

• En aplicaciones de filtrado: Un bajo ESL significa que la frecuencia de resonancia propia es más alta, por lo que el capacitor se comporta como un componente ideal en frecuencias más amplias.

• En aplicaciones de potencia: la respuesta transitoria será más rápida, lo que significa que el capacitor puede descargarse y entregar potencia más rápidamente. Los mismos beneficios para filtrado también se aplican en aplicaciones de potencia. Un bajo ESR también es importante aquí ya que la carga/descarga es más rápida cuando el ESR es menor.

• En aplicaciones de desacoplamiento: Cuando se utilizan para desacoplamiento/bypass en ICs de alta velocidad, los capacitores de bajo ESL proporcionan una mayor reducción en el rebote de tierra y el rebote de suministro.

La imagen a continuación muestra cómo el ESL afecta la impedancia de un capacitor teórico de 10 nF con 0.01 Ohms de ESR. Las diversas curvas muestran perfiles de impedancia para diferentes valores de ESL (1 nH, 10 nH y 100 nH). A partir del gráfico, vemos que la impedancia es capacitiva hasta la frecuencia de resonancia propia, independientemente del valor de ESL y luego se vuelve inductiva más allá de la frecuencia de resonancia propia. Vemos que la impedancia 

Para capacitores utilizados en aplicaciones como fuentes de alimentación conmutadas, inversores o convertidores de potencia, el ESL generalmente no es un problema tan grande. Las señales de controlador PWM son generalmente lo suficientemente lentas como para que la mayoría de la potencia esté concentrada por debajo de la frecuencia de resonancia propia, por lo que casi cualquier capacitor con un alto índice de voltaje podría ser utilizado. La excepción es cuando optas por una frecuencia de conmutación mucho más alta (MHz y superior) y un tiempo de subida más rápido (~1 ns) para asegurar una conversión de potencia muy eficiente. En ese caso, tu controlador PWM podría excitar una auto-resonancia, y se necesitan capacitores de bajo ESL.

Para aplicaciones de desacoplamiento digital, donde necesitamos asegurar que la corriente que se introduce en el PDN de un PCB sea suave, el uso de capacitores de bajo ESL ayuda a asegurar que la impedancia del PDN sea suave hasta frecuencias más altas. El objetivo es mantener la impedancia del PDN por debajo de algún valor objetivo, ya que una baja impedancia se traduce en una pequeña perturbación de voltaje en el PDN. Esto es por qué las notas de aplicación de diseño de alta velocidad obsoletas te dirán que uses tres capacitores para el desacoplamiento de cada CI (10 nF, 1 nF y 100 pF). Para componentes avanzados como FPGAs de alta velocidad, que pueden tener tiempos de subida muy bajos, la estrategia de desacoplamiento puede ser mucho más compleja ya que necesitamos una impedancia plana hasta decenas o cientos de GHz.

¿Qué determina el ESL y ESR de un capacitor?

Hay tres factores que contribuyen a los valores de ESL y ESR de un capacitor. Estos incluyen:

• Material dieléctrico: La resistencia de contacto entre el dieléctrico y el terminal del capacitor determina el valor de ESR, y la permeabilidad del dieléctrico determina el valor de ESL.

• Tamaño del paquete: Este factor tiene el mayor efecto en el ESL y ESR en un capacitor. Los paquetes más grandes tendrán terminales y contactos más grandes contra el dieléctrico, por lo que pueden tener valores de ESL mayores.

• Estilo de montaje: Los componentes de montaje a través del orificio tienden a tener un ESL más alto que los capacitores SMD debido al gran tamaño de los terminales en los capacitores de montaje a través del orificio.

Debido a que el material dieléctrico utilizado en el capacitor determina el ESL y ESR, ahora podemos ver por qué algunas hojas de datos de CI y notas de aplicación recomendarán un tipo específico de capacitor. Ciertos tipos de capacitores (por ejemplo, tántalo, cerámica, etc.) pueden tender a tener frecuencias de resonancia propia más bajas, por lo que son una mejor opción para su uso en aplicaciones digitales de alta velocidad. Mientras tanto, para la electrónica de potencia, el uso de capacitores más grandes es más sobre asegurar una alta calificación de voltaje y mantener una salida de CC estable, por lo que el ESL y la resonancia propia son menos importantes.

Seleccionando un Capacitor de Bajo-ESL

Lamentablemente, cuando necesitas encontrar un capacitor de bajo-ESL, la mayoría de las hojas de datos hacen un mal trabajo al darte un valor específico para el ESL. Las hojas de datos podrían hacer un mejor trabajo mostrando un valor de ESR, lo cual es importante para entender cuán plana es la curva de impedancia. Algunas hojas de datos para capacitores que se comercializan específicamente como capacitores de alta frecuencia pueden incluir una curva de impedancia vs. frecuencia, lo que te ayuda inmediatamente a determinar si el capacitor cumplirá con tus requisitos de ancho de banda.

Identificar un Capacitor de Bajo-ESL Candidato

Debido a que los valores de ESL de los capacitores rara vez se encuentran en las hojas de datos, necesitarás mirar las guías de productos del fabricante. Si puedes encontrar un gráfico como el que se muestra a continuación, puedes tener una buena idea del valor de ESL para tu capacitor. El siguiente gráfico muestra cómo la resonancia propia y la capacitancia están relacionadas para la Serie 600 de MLCCs de American Technical Ceramics, y la pendiente de la curva está relacionada con el valor de ESL del capacitor.

Digital vs. Analógico

Seleccionar un capacitor de bajo ESL para un sistema analógico, como un sistema inalámbrico, es bastante fácil. Simplemente verifica que el capacitor actúe como un capacitor ideal y que su frecuencia de resonancia propia sea mayor que la frecuencia de operación en el sistema. Debido a que las señales digitales son de banda ancha, necesitas comparar toda la curva de impedancia vs. frecuencia con el ancho de banda de tu señal, no puedes solo mirar una única frecuencia.

Desacoplamiento con Capacitores de Bajo ESL

Recuerda, los capacitores físicamente más pequeños tienen valores de ESL más bajos y, por lo tanto, una frecuencia de resonancia propia más alta; esta es otra razón por la cual se recomiendan capacitores físicamente más pequeños para sistemas digitales de alta velocidad. Si observas el diseño y el esquema de desacoplamiento de PDN en un sistema digital de alta velocidad típico, verás que hay múltiples capacitores colocados en paralelo en la red de desacoplamiento. Hay una razón específica para esto: usar múltiplos del mismo capacitor en paralelo aumentará la capacitancia equivalente total y disminuirá la impedancia de PDN, pero no cambiará la frecuencia de resonancia. Esto se muestra en el ejemplo a continuación para 5 capacitores con los mismos valores de C y ESL.

He ignorado el ESR en el diagrama anterior, pero obtenemos el mismo resultado independientemente; dejaré esto como un ejercicio para el lector. El punto aquí es, si necesitas seleccionar un capacitor de bajo ESL con alta frecuencia de resonancia propia, puedes usar una capacitancia menor, y simplemente poner múltiples capacitores en paralelo. La respuesta de frecuencia para un solo capacitor de bajo ESL o múltiples capacitores idénticos en paralelo será la misma.

Las mismas ideas no se aplican estrictamente a diferentes capacitores con diferentes valores de C o ESL colocados en paralelo. En este caso, habrá múltiples picos de resonancia debido a la interacción entre diferentes redes RLC con diferentes polos, y se necesita un análisis más detallado para entender la impedancia y la respuesta de frecuencia de estas redes de capacitores.

Usa el Mejor Motor de Búsqueda para Encontrar Capacitores de Bajo ESL

El mejor motor de búsqueda de partes electrónicas puede ayudarte a especificar valores de ESR, estilos de montaje, materiales dieléctricos y, por supuesto, valor de capacitancia. Cuando puedes especificarlo hasta tipos de materiales específicos, puedes identificar diferentes tipos de capacitores que probablemente tengan valores de ESL bajos.

Cuando necesites encontrar capacitores de bajo ESL en paquetes estándar de los principales fabricantes, usa el conjunto completo de características avanzadas de búsqueda y filtración en Octopart. Cuando usas el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos actualizados de precios de distribuidores, inventario de partes y especificaciones de partes, y todo es libremente accesible en una interfaz amigable para el usuario. Echa un vistazo a nuestra página de componentes pasivos para encontrar los componentes que necesitas.

Mantente al día con nuestros últimos artículos suscribiéndote a nuestro boletín.