Kompletny przewodnik po kondensatorach o niskiej ESL

Rezystory, kondensatory i cewki... to podstawowe komponenty i twoje zajęcia z elektroniki zawsze sugerują, że te komponenty działają dokładnie tak, jak opisano w podręcznikach. Niestety, to po prostu nie jest prawda; twój kondensator ostatecznie będzie zachowywał się jak cewka przy wysokich częstotliwościach, prowadząc do niepożądanych zachowań i nieprawidłowej impedancji w twoich obwodach.

Winnym jest równoważna indukcyjność szeregowa, czyli ESL. Wszystkie kondensatory mają pewną pasożytniczą ESL, która staje się mierzalna przy wystarczająco wysokich częstotliwościach, i to tylko kwestia tego, czy wartość ESL ma znaczenie dla twojej konkretnej aplikacji. Systemy cyfrowe wysokiej prędkości, systemy RF i wiele innych aplikacji specjalnie wymagają kondensatorów o niskiej ESL, aby ustawić docelową impedancję, filtrować w pożądanym zakresie częstotliwości i zapewnić odłączenie w PDN płytki PCB.

Niektóre karty katalogowe komponentów lub noty aplikacyjne po prostu stwierdzają, że musisz użyć pewnego rodzaju kondensatora bez żadnego większego wyjaśnienia, podczas gdy inne karty katalogowe będą prosić o kondensator o określonej wartości ESL, ale bez żadnych innych wskazówek. Więc jak możesz być pewien, że używasz właściwego kondensatora o niskiej ESL w swoim projekcie? Wytyczne, które tutaj zebrałem, powinny pomóc ci zacząć rozumieć, jak znaleźć i wybrać kondensatory o niskiej ESL do zaawansowanych aplikacji.

Co to jest niska ESL?

Wszystkie komponenty mają pewne pasożyty, co oznacza niezamierzoną indukcyjność, rezystancję i pojemność. Te pasożyty powodują, że rzeczywiste zachowanie elektryczne komponentu różni się od idealnego zachowania komponentu. Mogą one powstać z powodu konstrukcji samego komponentu lub sposobu, w jaki komponent jest umieszczony na PCB. Ogólnie rzecz biorąc, gdy są zasilane prądem stałym, pasywne komponenty zachowują się jak komponenty idealne, ale pasożyty zaczynają przejmować zachowanie elektryczne przy wysokich częstotliwościach.

Model obwodu kondensatora z ESL

W kondensatorze równoważna indukcyjność szeregowa (ESL) to pozorna indukcyjność w kondensatorze, która staje się zauważalna dopiero po przekroczeniu pewnych częstotliwości. Istnieje również pewna równoważna rezystancja szeregowa (ESR). Wreszcie, w kondensatorze istnieje pewna rezystancja wycieku lub masowa, która występuje równolegle do idealnej pojemności, ESL i ESR. Jest to pokazane na poniższym obrazie, jak również prawdziwa impedancja kondensatora.

Ponieważ materiał dielektryczny w kondensatorze jest silnie izolujący, wartość Rbulk jest zwykle bardzo duża (~100 GOhmów), więc można ją zignorować przy obliczaniu impedancji kondensatora. Dlatego musimy skupić się na wartościach ESL i ESR podczas wybierania kondensatorów.

Rezonans własny i ESL

Jeśli przyjrzysz się powyższemu modelowi obwodu, zobaczysz, że rzeczywisty kondensator to obwód RLC, więc posiada pewną częstotliwość rezonansową własną, jak zdefiniowano powyżej. Podobne modele RLC są używane do opisu rzeczywistego zachowania cewek, transformatorów, a nawet półprzewodników takich jak diody i tranzystory. Ta częstotliwość rezonansowa własna jest powodem, dla którego rzeczywiste kondensatory mogą zachowywać się jak cewki; gdy częstotliwość sterująca jest większa niż częstotliwość rezonansowa własna, dominuje zachowanie indukcyjne komponentu.

Dlaczego warto mieć niskie ESL i ESR?

Generalnie, nigdy nie można mieć kondensatora z zerowym ESL i ESR, ale niektóre aplikacje wymagają bardzo niskich wartości.

Są trzy powody, dla których chcesz mieć niskie wartości ESL przy wyborze kondensatora, szczególnie dla aplikacji wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości:

• W aplikacjach filtrujących: Niskie ESL oznacza, że częstotliwość rezonansowa własna jest wyższa, więc kondensator zachowuje się jak idealny komponent na szerszym zakresie częstotliwości.

• W aplikacjach zasilających: odpowiedź przejściowa będzie szybsza, co oznacza, że kondensator może rozładowywać się i dostarczać energię szybciej. Te same korzyści dotyczące filtracji mają zastosowanie również w aplikacjach zasilających. Niskie ESR jest również ważne, ponieważ ładowanie/rozładowywanie jest szybsze, gdy ESR jest niższe.

• W aplikacjach sprzęgających: Kiedy używane do sprzęgania/omijania w szybkich układach scalonych, kondensatory o niskim ESL zapewniają większe zmniejszenie odbić od masy i zasilania.

Poniższy obraz pokazuje, jak ESL wpływa na impedancję teoretycznego kondensatora 10 nF z ESR 0,01 Ohma. Różne krzywe pokazują profile impedancji dla różnych wartości ESL (1 nH, 10 nH i 100 nH). Z wykresu widzimy, że impedancja jest pojemnościowa aż do częstotliwości rezonansowej własnej, niezależnie od wartości ESL, a następnie staje się indukcyjna po przekroczeniu częstotliwości rezonansowej własnej. Widzimy, że impedancja

Dla kondensatorów używanych w aplikacjach takich jak przetwornice impulsowe, inwertery czy przekształtniki mocy, ESL generalnie nie jest tak dużym problemem. Sygnały sterujące PWM są na ogół na tyle wolne, że większość mocy jest skoncentrowana poniżej częstotliwości rezonansowej własnej, więc można użyć prawie dowolnego kondensatora o wysokim napięciu znamionowym. Wyjątkiem jest, gdy wybierasz znacznie wyższą częstotliwość przełączania (MHz i wyżej) oraz szybszy czas narastania (~1 ns), aby zapewnić bardzo efektywną konwersję mocy. W takim przypadku, Twój sterownik PWM może wzbudzić rezonans własny, i potrzebne są kondensatory o niskim ESL.

W aplikacjach do dekuplowania cyfrowego, gdzie musimy zapewnić, że prąd pobierany do PDN (Power Distribution Network) płytki PCB jest wygładzony, użycie kondensatorów o niskiej ESL (Equivalent Series Inductance) pomaga zapewnić, że impedancja PDN jest wygładzona do wyższych częstotliwości. Celem jest utrzymanie impedancji PDN poniżej pewnej wartości docelowej, ponieważ niska impedancja przekłada się na małe zakłócenia napięcia na PDN. Dlatego przestarzałe notatki aplikacyjne do szybkich projektów będą mówić, aby używać trzech kondensatorów do dekuplowania każdego układu scalonego (10 nF, 1 nF i 100 pF). Dla zaawansowanych komponentów, takich jak szybkie FPGA, które mogą mieć bardzo krótkie czasy narastania, strategia dekuplowania może być znacznie bardziej skomplikowana, ponieważ potrzebujemy płaskiej impedancji aż do dziesiątek lub setek GHz.

Co determinuje ESL i ESR kondensatora?

Są trzy czynniki, które przyczyniają się do wartości ESL i ESR kondensatora. Obejmują one:

• Materiał dielektryczny: Oporność styku między dielektrykiem a wyprowadzeniem kondensatora określa wartość ESR, a przenikalność dielektryka określa wartość ESR.

• Rozmiar obudowy: Ten czynnik ma największy wpływ na ESL i ESR w kondensatorze. Większe obudowy będą miały większe wyprowadzenia i styki przeciwko dielektrykowi, więc mogą mieć większe wartości ESL.

• Styl montażu: Komponenty przewlekane mają tendencję do posiadania wyższej ESL niż kondensatory SMD ze względu na duży rozmiar wyprowadzeń w kondensatorach przewlekanych.

Ponieważ materiał dielektryczny używany w kondensatorze określa ESL i ESR, teraz widzimy, dlaczego niektóre karty katalogowe układów scalonych i notatki aplikacyjne będą polecać określony typ kondensatora. Pewne typy kondensatorów (np. tantalowe, ceramiczne itp.) mogą mieć tendencję do posiadania niższych częstotliwości rezonansowych, więc są lepszym wyborem do stosowania w szybkich aplikacjach cyfrowych. Tymczasem, w elektronice mocy, użycie większych kondensatorów dotyczy bardziej zapewnienia wysokiej oceny napięcia i utrzymania stabilnego wyjścia DC, więc ESL i rezonans własny są mniej ważne.

Wybór kondensatora o niskiej ESL

Niestety, gdy potrzebujesz znaleźć kondensator o niskiej ESL, większość kart katalogowych robi słabą robotę, dając ci konkretną wartość dla ESL. Karty katalogowe mogą lepiej radzić sobie z pokazaniem wartości ESR, co jest ważne dla zrozumienia, jak płaska jest krzywa impedancji. Niektóre karty katalogowe dla kondensatorów, które są specjalnie reklamowane jako kondensatory wysokoczęstotliwościowe, mogą zawierać krzywą impedancji w funkcji częstotliwości, co pomaga natychmiast określić, czy kondensator spełni twoje wymagania pasmowe.

Identyfikacja kandydata na kondensator o niskiej ESL

Ponieważ wartości ESL kondensatorów rzadko znajdują się w kartach katalogowych, będziesz musiał spojrzeć na przewodniki produktów od producenta. Jeśli znajdziesz wykres, jak poniżej, możesz uzyskać dobry pomysł na wartość ESL dla twojego kondensatora. Poniższy wykres pokazuje, jak rezonans własny i pojemność są ze sobą powiązane dla serii 600 MLCC firmy American Technical Ceramics, a nachylenie krzywej jest związane z wartością ESL kondensatora.

Cyfrowe vs. Analogowe

Wybór kondensatora o niskiej ESL dla systemu analogowego, takiego jak system bezprzewodowy, jest stosunkowo prosty. Wystarczy sprawdzić, czy kondensator zachowuje się jak idealny kondensator i czy jego częstotliwość rezonansowa własna jest większa niż częstotliwość pracy w systemie. Ponieważ sygnały cyfrowe są szerokopasmowe, musisz porównać całą krzywą impedancji względem częstotliwości z pasmem sygnału, nie możesz po prostu patrzeć na pojedynczą częstotliwość.

Odłączanie za pomocą kondensatorów o niskiej ESL

Pamiętaj, że fizycznie mniejsze kondensatory mają niższe wartości ESL i tym samym wyższą częstotliwość rezonansową własną; jest to kolejny powód, dla którego zaleca się stosowanie fizycznie mniejszych kondensatorów w szybkich systemach cyfrowych. Jeśli przyjrzysz się układowi i schematowi odłączania PDN w typowym szybkim systemie cyfrowym, zobaczysz, że w sieci odłączającej umieszczone są równolegle wielokrotne kondensatory. Jest na to konkretny powód: użycie wielu takich samych kondensatorów równolegle zwiększy całkowitą równoważną pojemność i zmniejszy impedancję PDN, ale nie zmieni częstotliwości rezonansu. Jest to pokazane na poniższym przykładzie dla 5 kondensatorów o tych samych wartościach C i ESL.

Pomijam ESR na powyższym diagramie, ale wynik jest taki sam niezależnie od tego; zostawię to jako ćwiczenie dla czytelnika. Chodzi o to, że jeśli potrzebujesz wybrać kondensator o niskiej ESL z wysoką częstotliwością rezonansową własną, możesz użyć mniejszej pojemności i po prostu umieścić wiele kondensatorów równolegle. Charakterystyka częstotliwościowa pojedynczego kondensatora o niskiej ESL lub wielu identycznych kondensatorów połączonych równolegle będzie taka sama. Te same idee nie mają ścisłego zastosowania do różnych kondensatorów o różnych wartościach C lub ESL umieszczonych równolegle. W tym przypadku pojawi się wiele szczytów rezonansowych z powodu interakcji między różnymi sieciami RLC z różnymi biegunami, i potrzebna jest bardziej szczegółowa analiza, aby zrozumieć impedancję i odpowiedź częstotliwościową tych sieci kondensatorów.

Użyj najlepszej wyszukiwarki, aby znaleźć kondensatory o niskiej ESL

Najlepsza wyszukiwarka części elektronicznych może pomóc Ci zawęzić wyszukiwanie do konkretnych wartości ESR, stylów montażu, materiałów dielektrycznych, a oczywiście wartości pojemności. Kiedy możesz zawęzić wyszukiwanie do konkretnych typów materiałów, możesz zidentyfikować różne typy kondensatorów, które najprawdopodobniej będą miały niskie wartości ESL. Kiedy potrzebujesz znaleźć kondensatory o niskiej ESL w standardowych obudowach od głównych producentów, użyj kompleksowego zestawu zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektronicznej Octopart, będziesz miał dostęp do aktualizowanych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zajrzyj na naszą stronę z komponentami pasywnymi, aby znaleźć potrzebne Ci komponenty. Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.