Le Guide Complet des Condensateurs à Faible ESL

Les résistances, les condensateurs et les inductances… ce sont des composants fondamentaux et vos cours d'électronique laissent toujours entendre que ces composants fonctionnent exactement comme décrit dans les manuels. Malheureusement, cela n'est tout simplement pas vrai ; votre condensateur se comportera finalement comme une inductance à haute fréquence, entraînant un comportement indésirable et une impédance incorrecte dans vos circuits.

Le coupable est l'inductance en série équivalente ou ESL. Tous les condensateurs ont une certaine ESL parasitaire qui devient mesurable à des fréquences suffisamment élevées, et c'est seulement une question de savoir si la valeur de l'ESL importe pour votre application spécifique. Les systèmes numériques à haute vitesse, les systèmes RF et de nombreuses autres applications nécessitent spécifiquement des condensateurs à faible ESL pour définir l'impédance cible, filtrer dans la plage de fréquence souhaitée et assurer le découplage dans le PDN d'un PCB.

Certains fiches techniques de composants ou notes d'application indiquent simplement que vous devez utiliser un certain type de condensateur sans aucune explication supplémentaire, tandis que d'autres fiches techniques demanderont un condensateur avec une valeur ESL spécifique mais sans autre orientation. Alors, comment pouvez-vous être sûr d'utiliser le bon condensateur à faible ESL dans votre conception ? Les directives que j'ai compilées ici devraient vous aider à commencer à comprendre comment trouver et sélectionner des condensateurs à faible ESL pour des applications avancées.

Qu'est-ce que le faible ESL ?

Tous les composants ont des parasitiques, signifiant une certaine inductance, résistance et capacitance non intentionnelles. Ces parasitiques font que le comportement électrique réel d'un composant est différent du comportement idéal du composant. Ils peuvent survenir en raison de la construction du composant lui-même, ou de la manière dont le composant est placé sur un PCB. En général, lorsqu'ils sont alimentés en courant continu, les passifs se comportent comme des composants idéaux, mais les parasitiques commencent à prendre le dessus sur le comportement électrique à haute fréquence.

Modèle de circuit de condensateur avec ESL

Dans un condensateur, l'inductance en série équivalente (ESL) est l'inductance apparente dans un condensateur, qui ne devient notable qu'au-delà de certaines fréquences. Il y a aussi une certaine résistance en série équivalente (ESR). Enfin, il y a une certaine résistance de fuite ou résistance de masse dans le condensateur, qui existe en parallèle avec la capacitance idéale, l'ESL et l'ESR. Ceci est montré dans l'image suivante, ainsi que l'impédance réelle du condensateur.

Parce que le matériau diélectrique dans le condensateur est fortement isolant, la valeur de Rbulk est normalement très grande (~100 GOhms), donc elle peut être ignorée lors du calcul de l'impédance du condensateur. Par conséquent, nous devons nous concentrer sur les valeurs d'ESL et d'ESR lors de la sélection des condensateurs.

Résonance propre et ESL

Si vous regardez le modèle de circuit ci-dessus, vous verrez qu'un vrai condensateur est un circuit RLC, donc il a une certaine fréquence de résonance propre comme défini ci-dessus. Des modèles RLC similaires sont utilisés pour décrire le comportement réel des inducteurs, des transformateurs, et même des semi-conducteurs comme les diodes et les transistors. Cette fréquence de résonance propre est la raison pour laquelle de vrais condensateurs peuvent agir comme des inducteurs ; lorsque la fréquence d'excitation est supérieure à la fréquence de résonance propre, le comportement inductif du composant domine.

Pourquoi avoir un faible ESL et ESR ?

En général, vous ne pouvez jamais avoir un condensateur avec un ESL et un ESR nuls, mais certaines applications exigent des valeurs très faibles.

Il y a trois raisons pour lesquelles vous voulez des valeurs d'ESL faibles lors de la sélection d'un condensateur, particulièrement pour les applications à haute vitesse/haute fréquence :

• Dans les applications de filtrage : Un faible ESL signifie que la fréquence de résonance propre est plus élevée, donc le condensateur se comporte comme un composant idéal sur des fréquences plus larges.

• Dans les applications de puissance : la réponse transitoire sera plus rapide, ce qui signifie que le condensateur peut se décharger et fournir de l'énergie plus rapidement. Les mêmes avantages pour le filtrage s'appliquent également dans les applications de puissance. Un faible ESR est également important ici car la charge/décharge est plus rapide lorsque l'ESR est plus bas.

• Dans les applications de découplage : Lorsqu'ils sont utilisés pour le découplage/contournement sur des CI à haute vitesse, les condensateurs à faible ESL fournissent une réduction plus importante du rebond de masse et du rebond d'alimentation.

L'image ci-dessous montre comment l'ESL affecte l'impédance d'un condensateur théorique de 10 nF avec un ESR de 0,01 Ohms. Les différentes courbes montrent les profils d'impédance pour différentes valeurs d'ESL (1 nH, 10 nH et 100 nH). D'après le graphique, nous voyons que l'impédance est capacitive jusqu'à la fréquence de résonance propre, quelle que soit la valeur de l'ESL, puis devient inductive au-delà de la fréquence de résonance propre. Nous voyons que l'impédance

Pour les condensateurs utilisés dans des applications comme les alimentations à découpage, les onduleurs ou les convertisseurs de puissance, l'ESL n'est généralement pas un problème majeur. Les signaux de commande PWM sont généralement assez lents pour que la majorité de la puissance soit concentrée en dessous de la fréquence de résonance propre, donc presque n'importe quel condensateur avec une haute tension nominale pourrait être utilisé. L'exception est lorsque vous optez pour une fréquence de commutation beaucoup plus élevée (MHz et plus) et un temps de montée plus rapide (~1 ns) pour assurer une conversion de puissance très efficace. Dans ce cas, votre pilote PWM pourrait exciter une résonance propre, et des condensateurs à faible ESL sont nécessaires.

Pour les applications de découplage numérique, où nous devons nous assurer que le courant tiré dans le PDN d'un PCB est lisse, l'utilisation de condensateurs à faible ESL aide à garantir que l'impédance du PDN est lissée jusqu'à des fréquences plus élevées. L'objectif est de maintenir l'impédance du PDN en dessous d'une certaine valeur cible, car une faible impédance se traduit par une petite perturbation de tension sur le PDN. C'est pourquoi les notes d'application de conception à haute vitesse obsolètes vous diront d'utiliser trois condensateurs pour le découplage de chaque CI (10 nF, 1 nF et 100 pF). Pour des composants avancés comme les FPGA à haute vitesse, qui peuvent avoir des temps de montée très bas, la stratégie de découplage peut être beaucoup plus complexe car nous avons besoin d'une impédance plate jusqu'à des dizaines ou des centaines de GHz.

Qu'est-ce qui détermine l'ESL et l'ESR d'un condensateur ?

Il y a trois facteurs qui contribuent aux valeurs d'ESL et d'ESR d'un condensateur. Ceux-ci incluent :

• Matériau diélectrique : La résistance de contact entre le diélectrique et la patte du condensateur détermine la valeur de l'ESR, et la perméabilité du diélectrique détermine la valeur de l'ESR.

• Taille du boîtier : Ce facteur a le plus grand effet sur l'ESL et l'ESR dans un condensateur. Les boîtiers plus grands auront des pattes et des contacts plus larges contre le diélectrique, donc ils peuvent avoir des valeurs d'ESL plus grandes.

• Style de montage : Les composants à travers-trou ont tendance à avoir un ESL plus élevé que les condensateurs CMS en raison de la grande taille des pattes sur les condensateurs à travers-trou.

Comme le matériau diélectrique utilisé dans le condensateur détermine l'ESL et l'ESR, nous pouvons maintenant voir pourquoi certains datasheets de CI et notes d'application recommanderont un type spécifique de condensateur. Certains types de condensateurs (par exemple, tantale, céramique, etc.) peuvent avoir tendance à avoir des fréquences de résonance propres plus basses, donc ils sont un meilleur choix pour une utilisation dans des applications numériques à haute vitesse. Pendant ce temps, pour l'électronique de puissance, l'utilisation de condensateurs plus grands est plus une question d'assurer une haute tension nominale et de maintenir une sortie DC stable, donc l'ESL et la résonance propre sont moins importants.

Sélectionner un condensateur à faible ESL

Malheureusement, lorsque vous avez besoin de trouver un condensateur à faible ESL, la plupart des datasheets font un mauvais travail en vous donnant une valeur spécifique pour l'ESL. Les datasheets pourraient faire un meilleur travail en montrant une valeur d'ESR, ce qui est important pour comprendre à quel point la courbe d'impédance est plate. Certains datasheets pour des condensateurs qui sont spécifiquement commercialisés comme des condensateurs haute fréquence peuvent inclure une courbe d'impédance vs fréquence, ce qui vous aide immédiatement à déterminer si le condensateur répondra à vos exigences de bande passante.

Identifier un condensateur à faible ESL potentiel

Comme les valeurs d'ESL des condensateurs sont rarement trouvées dans les datasheets, vous devrez regarder les guides de produits du fabricant. Si vous pouvez trouver un tableau comme celui montré ci-dessous, vous pouvez avoir une bonne idée de la valeur d'ESL pour votre condensateur. Le tableau suivant montre comment la résonance propre et la capacité sont liées pour la série 600 de MLCCs d'American Technical Ceramics, et la pente de la courbe est liée à la valeur d'ESL du condensateur.

Numérique vs. Analogique

Sélectionner un condensateur à faible ESL pour un système analogique, tel qu'un système sans fil, est assez simple. Il suffit de vérifier que le condensateur se comporte comme un condensateur idéal et que sa fréquence de résonance propre est supérieure à la fréquence de fonctionnement dans le système. Étant donné que les signaux numériques sont à large bande, vous devez comparer l'ensemble de la courbe d'impédance par rapport à la fréquence à votre bande passante de signal, vous ne pouvez pas juste regarder une fréquence unique.

Découplage avec des condensateurs à faible ESL

Rappelez-vous, les condensateurs physiquement plus petits ont des valeurs d'ESL plus faibles et donc une fréquence de résonance propre plus élevée ; c'est une autre raison pour laquelle les condensateurs physiquement plus petits sont recommandés pour les systèmes numériques à haute vitesse. Si vous regardez la disposition et le schéma de découplage du PDN dans un système numérique à haute vitesse typique, vous verrez qu'il y a plusieurs condensateurs placés en parallèle dans le réseau de découplage. Il y a une raison spécifique à cela : utiliser plusieurs fois le même condensateur en parallèle augmentera la capacité équivalente totale et diminuera l'impédance du PDN, mais cela ne changera pas la fréquence de résonance. Cela est montré dans l'exemple ci-dessous pour 5 condensateurs avec les mêmes valeurs de C et d'ESL.

J'ai ignoré l'ESR dans le diagramme ci-dessus, mais nous obtenons le même résultat indépendamment ; je laisserai cela comme un exercice pour le lecteur. Le point ici est, si vous avez besoin de sélectionner un condensateur à faible ESL avec une fréquence de résonance propre élevée, vous pouvez utiliser une plus petite capacité, et juste mettre plusieurs condensateurs en parallèle. La réponse en fréquence pour un seul condensateur à faible ESL ou plusieurs condensateurs identiques en parallèle sera la même.

Les mêmes idées ne s'appliquent pas strictement à différents condensateurs avec différentes valeurs de C ou d'ESL placés en parallèle. Dans ce cas, il y aura plusieurs pics de résonance dus à l'interaction entre différents réseaux RLC avec différents pôles, et une analyse plus approfondie est nécessaire pour comprendre l'impédance et la réponse en fréquence de ces réseaux de condensateurs.

Utilisez le meilleur moteur de recherche pour trouver des condensateurs à faible ESL

Le meilleur moteur de recherche de pièces électroniques peut vous aider à affiner les valeurs spécifiques d'ESR, les styles de montage, les matériaux diélectriques, et bien sûr la valeur de capacité. Lorsque vous pouvez le réduire à des types de matériaux spécifiques, vous pouvez identifier différents types de condensateurs qui sont les plus susceptibles d'avoir des valeurs d'ESL faibles.

Lorsque vous avez besoin de trouver des condensateurs à faible ESL dans des emballages standard de grands fabricants, utilisez l'ensemble complet de fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs à jour, à l'inventaire des pièces, et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de composants passifs pour trouver les composants dont vous avez besoin.

Restez à jour avec nos derniers articles en vous inscrivant à notre newsletter.