La Guida Completa ai Condensatori a Basso ESL

Resistori, condensatori e induttori... sono componenti fondamentali e le lezioni di elettronica implicano sempre che questi componenti funzionino esattamente come descritto nei libri di testo. Sfortunatamente, ciò non è vero; il tuo condensatore alla fine si comporterà come un induttore ad alte frequenze, portando a comportamenti indesiderati e a un'impedenza errata nei tuoi circuiti.

Il colpevole è l'induttanza serie equivalente o ESL. Tutti i condensatori hanno una certa ESL parassita che diventa misurabile ad abbastanza alte frequenze, e la questione è solo se il valore dell'ESL è rilevante per la tua specifica applicazione. Sistemi digitali ad alta velocità, sistemi RF e molte altre applicazioni richiedono specificamente condensatori a bassa ESL per impostare l'impedenza target, filtrare all'interno dell'intervallo di frequenza desiderato e garantire il decoupling nella PDN di un PCB.

Alcuni datasheet dei componenti o note applicative affermano semplicemente che devi usare un certo tipo di condensatore senza alcuna spiegazione più dettagliata, mentre altri datasheet richiederanno un condensatore con un valore di ESL specifico ma senza altre indicazioni. Quindi, come puoi essere sicuro di utilizzare il condensatore a bassa ESL giusto nel tuo progetto? Le linee guida che ho compilato qui dovrebbero aiutarti a iniziare a capire come trovare e selezionare condensatori a bassa ESL per applicazioni avanzate.

Cos'è l'ESL Basso?

Tutti i componenti hanno delle parassite, ovvero un'induttanza, resistenza e capacità non intenzionali. Queste parassite fanno sì che il comportamento elettrico reale di un componente sia diverso dal comportamento ideale del componente. Possono sorgere a causa della costruzione del componente stesso, o a causa del modo in cui il componente è posizionato su un PCB. In generale, quando alimentati con corrente continua, i passivi si comporteranno come componenti ideali, ma le parassite iniziano a prendere il sopravvento sul comportamento elettrico ad alte frequenze.

Modello di Circuito del Condensatore con ESL

In un condensatore, l'induttanza serie equivalente (ESL) è l'induttanza apparente in un condensatore, che diventa evidente solo oltre certe frequenze. Esiste anche una certa resistenza serie equivalente (ESR). Infine, c'è una certa resistenza di perdita o resistenza di massa nel condensatore, che esiste in parallelo con la capacità ideale, ESL e ESR. Questo è mostrato nell'immagine seguente, così come l'impedenza vera del condensatore.

Poiché il materiale dielettrico nel condensatore è fortemente isolante, il valore di Rbulk è normalmente molto grande (~100 GOhm), quindi può essere ignorato nel calcolo dell'impedenza del condensatore. Pertanto, dobbiamo concentrarci sui valori di ESL e ESR quando selezioniamo i condensatori.

Risonanza Propria e ESL

Se si osserva il modello di circuito sopra, si vedrà che un vero condensatore è un circuito RLC, quindi possiede una certa frequenza di risonanza propria come definito sopra. Modelli RLC simili sono utilizzati per descrivere il comportamento reale di induttori, trasformatori e persino semiconduttori come diodi e transistori. Questa frequenza di risonanza propria è il motivo per cui i veri condensatori possono comportarsi come induttori; quando la frequenza di pilotaggio è maggiore della frequenza di risonanza propria, il comportamento induttivo del componente domina.

Perché avere bassi valori di ESL e ESR?

In generale, non si può mai avere un condensatore con ESL e ESR pari a zero, ma alcune applicazioni richiedono valori molto bassi.

Ci sono tre motivi per cui si desiderano valori bassi di ESL quando si seleziona un condensatore, in particolare per applicazioni ad alta velocità/alta frequenza:

• In applicazioni di filtraggio: Un basso ESL significa che la frequenza di risonanza propria è più alta, quindi il condensatore si comporta come un componente ideale su frequenze più ampie.

• In applicazioni di potenza: la risposta transitoria sarà più veloce, il che significa che il condensatore può scaricarsi e fornire potenza più rapidamente. I medesimi vantaggi del filtraggio si applicano anche nelle applicazioni di potenza. Anche un basso ESR è importante qui poiché la carica/scarica è più veloce quando l'ESR è inferiore.

• In applicazioni di decoupling: Quando utilizzati per il decoupling/bypass su IC ad alta velocità, i condensatori a basso ESL forniscono una maggiore riduzione del rimbalzo di terra e del rimbalzo di alimentazione.

L'immagine qui sotto mostra come l'ESL influisce sull'impedenza di un condensatore teorico da 10 nF con 0,01 Ohm di ESR. Le varie curve mostrano profili di impedenza per diversi valori di ESL (1 nH, 10 nH e 100 nH). Dal grafico, vediamo che l'impedenza è capacitiva fino alla frequenza di risonanza propria, indipendentemente dal valore dell'ESL e poi diventa induttiva oltre la frequenza di risonanza propria. Vediamo che l'impedenza

Per i condensatori utilizzati in applicazioni come alimentatori switching, inverter o convertitori di potenza, l'ESL generalmente non rappresenta un problema così grande. I segnali dei driver PWM sono generalmente abbastanza lenti da concentrare la maggior parte della potenza al di sotto della frequenza di risonanza propria, quindi quasi qualsiasi condensatore con un'alta tensione nominale potrebbe essere utilizzato. L'eccezione si verifica quando si opta per una frequenza di commutazione molto più alta (MHz e superiori) e un tempo di salita più veloce (~1 ns) per garantire una conversione di potenza molto efficiente. In quel caso, il driver PWM potrebbe eccitare una risonanza propria e sono necessari condensatori a basso ESL.

TRANSLATE:

Per le applicazioni di decoupling digitale, dove dobbiamo assicurare che la corrente assorbita in un PDN di un PCB sia uniforme, l'utilizzo di condensatori a basso ESL aiuta a garantire che l'impedenza del PDN sia uniforme fino a frequenze più alte. L'obiettivo è mantenere l'impedenza del PDN al di sotto di un certo valore target poiché una bassa impedenza si traduce in un piccolo disturbo di tensione sul PDN. Questo è il motivo per cui le note applicative di progettazione ad alta velocità obsolete ti diranno di usare tre condensatori per il decoupling di ogni IC (10 nF, 1 nF e 100 pF). Per componenti avanzati come FPGA ad alta velocità, che possono avere tempi di salita molto bassi, la strategia di decoupling può essere molto più complessa poiché abbiamo bisogno di un'impedenza piatta fino a decine o centinaia di GHz.

Cosa determina l'ESL e l'ESR di un condensatore?

Ci sono tre fattori che contribuiscono ai valori di ESL e ESR di un condensatore. Questi includono:

• Materiale dielettrico: La resistenza di contatto tra il dielettrico e il terminale del condensatore determina il valore dell'ESR, e la permeabilità del dielettrico determina il valore dell'ESR.

• Dimensione del pacchetto: Questo fattore ha il maggiore effetto sull'ESL e sull'ESR in un condensatore. I pacchetti più grandi avranno terminali e contatti più grandi contro il dielettrico, quindi possono avere valori di ESL maggiori.

• Stile di montaggio: I componenti through-hole tendono ad avere un ESL più alto rispetto ai condensatori SMD a causa della grande dimensione dei terminali sui condensatori through-hole.

Poiché il materiale dielettrico utilizzato nel condensatore determina ESL e ESR, ora possiamo capire perché alcuni datasheet di IC e note applicative raccomanderanno un tipo specifico di condensatore. Certi tipi di condensatori (ad es., tantalio, ceramica, ecc.) possono tendere ad avere frequenze di risonanza propria più basse, quindi sono una scelta migliore per l'uso in applicazioni digitali ad alta velocità. Nel frattempo, per l'elettronica di potenza, l'uso di condensatori più grandi riguarda più che altro assicurare un alto rating di tensione e mantenere un'uscita DC stabile, quindi ESL e risonanza propria sono meno importanti.

Selezionare un condensatore a basso ESL

Sfortunatamente, quando hai bisogno di trovare un condensatore a basso ESL, la maggior parte dei datasheet fa un lavoro scadente nel darti un valore specifico per l'ESL. I datasheet potrebbero fare un lavoro migliore mostrando un valore di ESR, che è importante per capire quanto sia piatta la curva di impedenza. Alcuni datasheet per condensatori che sono specificamente commercializzati come condensatori ad alta frequenza possono includere una curva di impedenza vs frequenza, che ti aiuta immediatamente a determinare se il condensatore soddisferà i tuoi requisiti di larghezza di banda.

Identificare un condensatore a basso ESL candidato

Poiché i valori di ESL dei condensatori sono raramente trovati nei datasheet, dovrai guardare le guide ai prodotti del produttore. Se riesci a trovare un grafico come quello mostrato di seguito, puoi farti un'idea del valore di ESL per il tuo condensatore. Il seguente grafico mostra come la risonanza propria e la capacità sono correlate per la Serie 600 di MLCC di American Technical Ceramics, e la pendenza della curva è relazionata al valore di ESL del condensatore.

Digitale vs. Analogico

Selezionare un condensatore a basso ESL per un sistema analogico, come un sistema wireless, è piuttosto semplice. È sufficiente verificare che il condensatore si comporti come un condensatore ideale e che la sua frequenza di risonanza propria sia maggiore della frequenza operativa nel sistema. Poiché i segnali digitali sono a banda larga, è necessario confrontare l'intera curva di impedenza vs frequenza con la larghezza di banda del segnale, non si può semplicemente guardare a una singola frequenza.

Decoupling con condensatori a basso ESL

Ricorda, i condensatori fisicamente più piccoli hanno valori ESL più bassi e quindi una frequenza di risonanza propria più alta; questa è un'altra ragione per cui i condensatori fisicamente più piccoli sono raccomandati per i sistemi digitali ad alta velocità. Se guardi al layout e allo schema di decoupling della PDN in un tipico sistema digitale ad alta velocità, vedrai che ci sono più condensatori collocati in parallelo nella rete di decoupling. C'è una ragione specifica per questo: usare multipli dello stesso condensatore in parallelo aumenterà la capacità equivalente totale e diminuirà l'impedenza della PDN, ma non cambierà la frequenza di risonanza. Questo è mostrato nell'esempio sottostante per 5 condensatori con gli stessi valori di C e ESL.

Ho ignorato l'ESR nel diagramma sopra, ma otteniamo lo stesso risultato indipendentemente; lascerò questo come esercizio per il lettore. Il punto qui è, se hai bisogno di selezionare un condensatore a basso ESL con alta frequenza di risonanza propria, puoi usare una capacità minore, e semplicemente mettere più condensatori in parallelo. La risposta in frequenza per un singolo condensatore a basso ESL o più condensatori identici in parallelo sarà la stessa.

Le stesse idee non si applicano strettamente a condensatori diversi con diversi valori di C o ESL messi in parallelo. In questo caso, ci saranno più picchi di risonanza a causa dell'interazione tra diverse reti RLC con poli diversi, e un'analisi più approfondita è necessaria per comprendere l'impedenza e la risposta in frequenza di queste reti di condensatori.

Usa il Miglior Motore di Ricerca per Trovare Condensatori a Basso ESL

Il miglior motore di ricerca di componenti elettronici può aiutarti a restringere la ricerca a specifici valori di ESR, stili di montaggio, materiali dielettrici e, naturalmente, valore di capacità. Quando puoi restringere la ricerca a specifici tipi di materiali, puoi identificare diversi tipi di condensatori che hanno maggiori probabilità di avere valori ESL bassi.

Quando hai bisogno di trovare condensatori a basso ESL in pacchetti standard dei principali produttori, usa il completo set di funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio in Octopart. Quando usi il motore di ricerca elettronica di Octopart, avrai accesso ai dati aggiornati sui prezzi dei distributori, inventario dei componenti e specifiche dei componenti, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui componenti passivi per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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