低ESLキャパシタの完全ガイド

抵抗器、コンデンサ、インダクタ…これらは基本的なコンポーネントであり、電子工学の授業ではこれらのコンポーネントが教科書通りに正確に機能すると常に示唆されています。残念ながら、それは単純に真実ではありません。高周波でコンデンサがインダクタのように振る舞い始め、回路内で望ましくない動作や誤ったインピーダンスを引き起こすことになります。

原因は等価直列インダクタンス、またはESLです。すべてのコンデンサには、十分に高い周波数で測定可能になるいくつかの寄生ESLがあります。そして、ESL値が特定のアプリケーションにとって重要かどうかは、ただの問題です。高速デジタルシステム、RFシステム、およびその他多くのアプリケーションでは、目標インピーダンスを設定し、所望の周波数範囲内でフィルタリングし、PCBのPDNでデカップリングを確保するために、低ESLコンデンサが特に必要です。

いくつかのコンポーネントデータシートやアプリケーションノートは、単に特定のタイプのコンデンサを使用する必要があると述べていますが、詳細な説明はありません。一方、他のデータシートでは特定のESL値を持つコンデンサを要求しますが、それ以上のガイダンスはありません。では、どのようにして設計に適した低ESLコンデンサを確実に使用できるのでしょうか？ここにまとめたガイドラインは、高度なアプリケーション用の低ESLコンデンサを見つけて選択する方法を理解するのに役立つはずです。

低ESLとは何か？

すべてのコンポーネントには、いくつかの寄生があり、つまり意図しないインダクタンス、抵抗、および容量があります。これらの寄生は、コンポーネントの実際の電気的動作が、コンポーネントの理想的な動作と異なる原因となります。これらは、コンポーネント自体の構造によっても、PCB上でのコンポーネントの配置方法によっても生じる可能性があります。一般に、DC電源が供給されると、受動部品は理想的なコンポーネントとして振る舞いますが、高周波で寄生が電気的動作を支配し始めます。

ESLを持つコンデンサ回路モデル

コンデンサでは、等価直列インダクタンス（ESL）は、特定の周波数を超えると顕著になるコンデンサの見かけ上のインダクタンスです。また、いくつかの等価直列抵抗（ESR）もあります。最後に、理想的な容量、ESL、およびESRと並列に存在するいくつかの漏れまたはバルク抵抗がコンデンサにあります。これは、次の画像と真のコンデンサインピーダンスで示されています。

コンデンサの誘電体材料は強く絶縁しているため、Rbulkの値は通常非常に大きい（〜100 GOhms）であり、コンデンサのインピーダンスを計算する際には無視できます。したがって、ESLとESRの値に焦点を当てる必要があります。コンデンサの選択。

自己共振とESL

上記の回路モデルを見ると、実際のコンデンサはRLC回路であるため、上で定義されたように自己共振周波数を持っていることがわかります。同様のRLCモデルは、インダクタ、トランス、さらにはダイオードやトランジスタのような半導体の実際の振る舞いを記述するために使用されます。この自己共振周波数が、実際のコンデンサがインダクタのように振る舞う理由です。駆動周波数が自己共振周波数より大きい場合、コンポーネントの誘導性の振る舞いが支配的になります。

なぜ低ESLとESRが必要なのか？

一般的に、ESLとESRがゼロのコンデンサを持つことはできませんが、非常に低い値を要求するアプリケーションもあります。

高速/高周波アプリケーションでコンデンサを選択する際に低ESL値を求める理由は3つあります：

• フィルタリングアプリケーションで：低ESLは自己共振周波数が高いことを意味し、コンデンサがより広い周波数で理想的なコンポーネントのように振る舞います。

• 電力アプリケーションで：過渡応答が速くなり、コンデンサが電力をより速く放電して供給できることを意味します。電力アプリケーションでのフィルタリングにも同様の利点があります。ここでも低ESRが重要で、ESRが低いと充放電が速くなります。

• デカップリングアプリケーションで：高速ICでデカップリング/バイパスに使用される場合、低ESLコンデンサはグラウンドバウンスと供給バウンスの大幅な削減を提供します。

下の画像は、0.01オームのESRを持つ理論的な10 nFコンデンサのESLがインピーダンスにどのように影響するかを示しています。様々な曲線は異なるESL値（1 nH、10 nH、100 nH）のインピーダンスプロファイルを示しています。グラフから、ESL値に関係なく、自己共振周波数までインピーダンスはキャパシティブであり、その後は自己共振周波数を超えるとインダクティブになることがわかります。

スイッチング電源、インバータ、または電力変換器のようなアプリケーションで使用されるコンデンサにとって、ESLは一般的にそれほど大きな問題ではありません。PWMドライバ信号は通常、自己共振周波数以下に集中しているため、高電圧定格のほぼ任意のコンデンサを使用できます。例外は、非常に効率的な電力変換を確保するために、はるかに高いスイッチング周波数（MHz以上）と速い立ち上がり時間（約1 ns）を選択した場合です。その場合、PWMドライバが自己共振を励起する可能性があり、低ESLコンデンサが必要になります。

デジタルデカップリングアプリケーションでは、PCBのPDNに流れ込む電流がスムーズであることを確保する必要があります。低ESLキャパシタを使用することで、PDNインピーダンスが高周波数までスムーズになることが保証されます。目標は、低インピーダンスがPDN上の小さな電圧変動に変換されるため、PDNインピーダンスをある目標値以下に保つことです。これが、古い高速設計アプリケーションノートが各ICのデカップリングに3つのキャパシタ（10 nF、1 nF、および100 pF）を使用するように指示する理由です。高速FPGAのような高度なコンポーネントは、非常に低い立ち上がり時間を持つことができるため、デカップリング戦略は10GHzや100GHzまでのフラットなインピーダンスが必要とされるため、はるかに複雑になることがあります。

キャパシタのESLとESRを決定する要因は何ですか？

キャパシタのESLとESR値に寄与する要因は3つあります。これらには以下が含まれます：

• 誘電体材料：誘電体とキャパシタリード間の接触抵抗がESR値を決定し、誘電体の透磁率がESR値を決定します。

• パッケージサイズ：この要因はキャパシタのESLとESRに最も大きな影響を与えます。大きなパッケージは、誘電体に対して大きなリードと接触を持つため、大きなESL値を持つことができます。

• 取り付けスタイル：スルーホールコンポーネントは、スルーホールキャパシタのリードの大きさが大きいため、SMDキャパシタよりも高いESLを傾向があります。

キャパシタに使用される誘電体材料がESLとESRを決定するため、一部のICデータシートやアプリケーションノートが特定のタイプのキャパシタを推奨する理由がわかります。特定のタイプのキャパシタ（例えば、タンタル、セラミックなど）は、自己共振周波数が低い傾向があるため、高速デジタルアプリケーションでの使用に適しています。一方、電力エレクトロニクスでは、大きなキャパシタの使用は、高い電圧定格を確保し、安定したDC出力を維持することがより重要であるため、ESLと自己共振はそれほど重要ではありません。

低ESLキャパシタの選択

残念ながら、低ESLキャパシタを見つける必要がある場合、ほとんどのデータシートはESLの具体的な値を提供するのに不十分です。データシートはESR値を示すことがより良い仕事をするかもしれませんが、これはインピーダンス曲線がどれだけフラットかを理解するのに重要です。高周波キャパシタとして特にマーケティングされているキャパシタのデータシートには、インピーダンス対周波数曲線が含まれている場合があり、これはキャパシタが帯域幅要件を満たすかどうかを即座に判断するのに役立ちます。

低ESLキャパシタの候補を特定する

キャパシタのESL値はデータシートでほとんど見つからないため、メーカーからの製品ガイドを見る必要があります。以下に示すようなチャートを見つけることができれば、キャパシタのESL値について良いアイデアを得ることができます。次のチャートは、American Technical Ceramics 600シリーズのMLCCの自己共振と容量がどのように関連しているかを示し、曲線の傾きはキャパシタのESL値に関連しています。

デジタル対アナログ

アナログシステム、例えばワイヤレスシステムのようなものに低ESLキャパシタを選択することは比較的簡単です。キャパシタが理想的なキャパシタのように振る舞い、その自己共振周波数がシステムの動作周波数よりも大きいことを確認するだけです。デジタル信号は広帯域なので、単一の周波数を見るだけではなく、インピーダンス対周波数曲線全体を信号帯域幅と比較する必要があります。

低ESLキャパシタによるデカップリング

物理的に小さいキャパシタはESL値が低く、自己共振周波数が高いことを覚えておいてください。これは、高速デジタルシステムに物理的に小さいキャパシタが推奨されるもう一つの理由です。典型的な高速デジタルシステムのレイアウトとPDNデカップリングスキームを見ると、デカップリングネットワーク内に複数のキャパシタが並列に配置されているのがわかります。これには特定の理由があります：同じキャパシタを複数並列に使用すると、総等価キャパシタンスが増加し、PDNインピーダンスが減少しますが、共振周波数は変わりません。これは、以下の例でC値とESL値が同じ5つのキャパシタについて示されています。

上記の図ではESRを無視しましたが、結果は同じです。これを読者に課題として残します。ここでのポイントは、高自己共振周波数の低ESLキャパシタを選択する必要がある場合、小さいキャパシタンスを使用し、複数のキャパシタを並列に配置することができるということです。単一の低ESLキャパシタまたは同一の複数のキャパシタを並列に配置した場合の周波数応答は同じになります。

異なるC値やESL値を持つ異なるキャパシタを並列に配置した場合、同じ考え方は厳密には適用されません。この場合、異なるRLCネットワーク間の相互作用により複数の共振ピークが発生し、これらのキャパシタネットワークのインピーダンスと周波数応答を理解するためにはより徹底的な分析が必要になります。

低ESLキャパシタを見つけるための最高の検索エンジンの使用

最高の電子部品検索エンジンは、特定のESR値、取り付けスタイル、誘電体材料、もちろんキャパシタンス値まで絞り込むのに役立ちます。特定の材料タイプまで絞り込むことができれば、低ESL値を持つ可能性が高い異なるタイプのキャパシタを特定することができます。

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