O Guia Completo de Capacitores de Baixo ESL

Resistores, capacitores e indutores... eles são componentes fundamentais e suas aulas de eletrônica sempre implicam que esses componentes funcionam exatamente como descrito nos livros didáticos. Infelizmente, isso simplesmente não é verdade; seu capacitor eventualmente se comportará como um indutor em altas frequências, levando a comportamentos indesejados e impedância incorreta em seus circuitos.

O culpado é a indutância série equivalente ou ESL. Todos os capacitores têm alguma ESL parasita que se torna mensurável em frequências suficientemente altas, e é apenas uma questão de se o valor da ESL importa para sua aplicação específica. Sistemas digitais de alta velocidade, sistemas de RF e muitas outras aplicações exigem especificamente capacitores de baixa ESL para definir a impedância alvo, filtrar dentro da faixa de frequência desejada e garantir o desacoplamento na PDN de uma PCB.

Algumas folhas de dados de componentes ou notas de aplicação simplesmente afirmam que você deve usar um certo tipo de capacitor sem nenhuma explicação maior, enquanto outras folhas de dados pedirão um capacitor com um valor específico de ESL, mas sem nenhuma outra orientação. Então, como você pode ter certeza de que está usando o capacitor de baixa ESL correto em seu design? As diretrizes que compilei aqui devem ajudá-lo a começar a entender como encontrar e selecionar capacitores de baixa ESL para aplicações avançadas.

O que é Baixa ESL?

Todos os componentes têm algumas parasitas, ou seja, alguma indutância, resistência e capacitância não intencionais. Essas parasitas fazem com que o comportamento elétrico real de um componente seja diferente do comportamento ideal do componente. Elas podem surgir devido à construção do próprio componente, ou devido à maneira como o componente é colocado em uma PCB. Em geral, quando alimentados com energia DC, os passivos se comportarão como componentes ideais, mas as parasitas começam a dominar o comportamento elétrico em altas frequências.

Modelo de Circuito de Capacitor com ESL

Em um capacitor, a indutância série equivalente (ESL) é a indutância aparente em um capacitor, que só se torna perceptível além de certas frequências. Também existe alguma resistência série equivalente (ESR). Finalmente, existe alguma resistência de fuga ou resistência em massa no capacitor, que existe em paralelo com a capacitância ideal, ESL e ESR. Isso é mostrado na seguinte imagem, bem como a verdadeira impedância do capacitor.

Como o material dielétrico no capacitor é fortemente isolante, o valor de Rbulk é normalmente muito grande (~100 GOhms), então ele pode ser ignorado ao calcular a impedância do capacitor. Portanto, precisamos nos concentrar nos valores de ESL e ESR quando selecionando capacitores.

Ressonância Própria e ESL

Se você observar o modelo de circuito acima, verá que um capacitor real é um circuito RLC, portanto, possui alguma frequência de ressonância própria conforme definido acima. Modelos RLC similares são usados para descrever o comportamento real de indutores, transformadores e até semicondutores como diodos e transistores. Essa frequência de ressonância própria é a razão pela qual os capacitores reais podem agir como indutores; quando a frequência de acionamento é maior que a frequência de ressonância própria, o comportamento indutivo do componente domina.

Por Que Ter Baixo ESL e ESR?

Em geral, você nunca pode ter um capacitor com ESL e ESR zero, mas algumas aplicações exigem valores muito baixos.

Existem três razões pelas quais você deseja valores baixos de ESL ao selecionar um capacitor, particularmente para aplicações de alta velocidade/alta frequência:

• Em aplicações de filtragem: Baixo ESL significa que a frequência de ressonância própria é mais alta, então o capacitor se comporta como um componente ideal em frequências mais amplas.

• Em aplicações de energia: a resposta transitória será mais rápida, o que significa que o capacitor pode descarregar e fornecer energia mais rapidamente. Os mesmos benefícios para filtragem também se aplicam em aplicações de energia. Baixo ESR também é importante aqui, pois o carregamento/descarregamento é mais rápido quando o ESR é menor.

• Em aplicações de desacoplamento: Quando usado para desacoplamento/bypass em CI de alta velocidade, capacitores de baixo ESL proporcionam uma maior redução no salto de terra e no salto de fornecimento.

A imagem abaixo mostra como o ESL afeta a impedância de um capacitor teórico de 10 nF com 0,01 Ohms de ESR. As várias curvas mostram perfis de impedância para diferentes valores de ESL (1 nH, 10 nH e 100 nH). A partir do gráfico, vemos que a impedância é capacitiva até a frequência de ressonância própria, independentemente do valor do ESL e, em seguida, torna-se indutiva além da frequência de ressonância própria. Vemos que a impedância 

Para capacitores usados em aplicações como fontes de alimentação chaveadas, inversores ou conversores de energia, o ESL geralmente não é um problema tão grande. Sinais de driver PWM são geralmente lentos o suficiente para que a grande maioria da energia esteja concentrada abaixo da frequência de ressonância própria, então quase qualquer capacitor com alta classificação de tensão poderia ser usado. A exceção é quando você opta por uma frequência de comutação muito mais alta (MHz e superior) e tempo de subida mais rápido (~1 ns) para garantir uma conversão de energia muito eficiente. Nesse caso, seu driver PWM pode excitar uma auto-ressonância, e capacitores de baixo ESL são necessários.

Para aplicações de desacoplamento digital, onde precisamos garantir que a corrente desenhada para a PDN de uma PCB seja suave, o uso de capacitores de baixo ESL ajuda a garantir que a impedância da PDN seja suavizada até frequências mais altas. O objetivo é manter a impedância da PDN abaixo de algum valor alvo, pois uma baixa impedância se traduz em uma pequena perturbação de tensão na PDN. É por isso que notas de aplicação de design de alta velocidade desatualizadas dirão para usar três capacitores para desacoplar cada CI (10 nF, 1 nF e 100 pF). Para componentes avançados como FPGAs de alta velocidade, que podem ter tempos de subida muito baixos, a estratégia de desacoplamento pode ser muito mais complexa, pois precisamos de uma impedância plana até dezenas ou centenas de GHz.

O que Determina o ESL e ESR de um Capacitor?

Existem três fatores que contribuem para os valores de ESL e ESR de um capacitor. Estes incluem:

• Material dielétrico: A resistência de contato entre o dielétrico e o terminal do capacitor determina o valor do ESR, e a permeabilidade do dielétrico determina o valor do ESR.

• Tamanho do pacote: Este fator tem o maior efeito sobre o ESL e ESR em um capacitor. Pacotes maiores terão terminais e contatos maiores contra o dielétrico, então eles podem ter valores de ESL maiores.

• Estilo de montagem: Componentes through-hole tendem a ter ESL maior do que capacitores SMD devido ao grande tamanho dos terminais nos capacitores through-hole.

Como o material dielétrico usado no capacitor determina o ESL e ESR, agora podemos ver por que algumas folhas de dados de ICs e notas de aplicação recomendam um tipo específico de capacitor. Certos tipos de capacitores (por exemplo, tântalo, cerâmica, etc.) podem ter tendência a ter frequências de ressonância própria mais baixas, então eles são uma escolha melhor para uso em aplicações digitais de alta velocidade. Enquanto isso, para a eletrônica de potência, o uso de capacitores maiores é mais sobre garantir uma alta classificação de tensão e manter uma saída DC estável, então ESL e ressonância própria são menos importantes.

Selecionando um Capacitor de Baixo-ESL

Infelizmente, quando você precisa encontrar um capacitor de baixo-ESL, a maioria das folhas de dados faz um trabalho ruim ao fornecer um valor específico para ESL. Folhas de dados podem fazer um trabalho melhor mostrando um valor de ESR, o que é importante para entender quão plana é a curva de impedância. Algumas folhas de dados para capacitores que são especificamente comercializados como capacitores de alta frequência podem incluir uma curva de impedância versus frequência, o que ajuda você a determinar imediatamente se o capacitor atenderá aos seus requisitos de largura de banda.

Identificar um Capacitor de Baixo-ESL Candidato

Como os valores de ESL dos capacitores raramente são encontrados em folhas de dados, você precisará olhar para guias de produtos do fabricante. Se você puder encontrar um gráfico como o mostrado abaixo, você pode ter uma boa ideia do valor de ESL para o seu capacitor. O gráfico a seguir mostra como a ressonância própria e a capacitância estão relacionadas para a Série 600 de MLCCs da American Technical Ceramics, e a inclinação da curva está relacionada ao valor de ESL do capacitor.

Digital vs. Analógico

TRANSLATE:

Selecionar um capacitor de baixo ESL para um sistema analógico, como um sistema sem fio, é relativamente fácil. Basta verificar se o capacitor se comporta como um capacitor ideal e se sua frequência de ressonância própria é maior que a frequência de operação no sistema. Como os sinais digitais são de banda larga, você precisa comparar toda a curva de impedância versus frequência com a largura de banda do seu sinal, não pode apenas olhar para uma única frequência.

Desacoplamento com Capacitores de Baixo ESL

Lembre-se, capacitores fisicamente menores têm valores de ESL mais baixos e, portanto, frequência de ressonância própria mais alta; essa é outra razão pela qual capacitores fisicamente menores são recomendados para sistemas digitais de alta velocidade. Se você observar o layout e o esquema de desacoplamento da PDN em um sistema digital de alta velocidade típico, verá que há vários capacitores colocados em paralelo na rede de desacoplamento. Há uma razão específica para isso: usar múltiplos do mesmo capacitor em paralelo aumentará a capacitância equivalente total e diminuirá a impedância da PDN, mas não mudará a frequência de ressonância. Isso é mostrado no exemplo abaixo para 5 capacitores com os mesmos valores de C e ESL.

Ignorei o ESR no diagrama acima, mas obtemos o mesmo resultado independentemente; deixarei isso como um exercício para o leitor. O ponto aqui é, se você precisa selecionar um capacitor de baixo ESL com alta frequência de ressonância própria, você pode usar uma capacitância menor e apenas colocar vários capacitores em paralelo. A resposta de frequência para um único capacitor de baixo ESL ou múltiplos capacitores idênticos em paralelo será a mesma.

As mesmas ideias não se aplicam estritamente a capacitores diferentes com diferentes valores de C ou ESL colocados em paralelo. Neste caso, haverá múltiplos picos de ressonância devido à interação entre diferentes redes RLC com diferentes polos, e uma análise mais aprofundada é necessária para entender a impedância e a resposta de frequência dessas redes de capacitores.

Use o Melhor Motor de Busca para Encontrar Capacitores de Baixo ESL

O melhor motor de busca de peças eletrônicas pode ajudá-lo a especificar valores de ESR, estilos de montagem, materiais dielétricos e, claro, valor de capacitância. Quando você pode especificar tipos de materiais específicos, pode identificar diferentes tipos de capacitores que provavelmente terão valores de ESL baixos.

Quando você precisa encontrar capacitores de baixo ESL em embalagens padrão de grandes fabricantes, use o conjunto abrangente de recursos avançados de busca e filtragem em Octopart. Ao usar o motor de busca de eletrônicos da Octopart, você terá acesso a dados atualizados de preços de distribuidores, inventário de peças e especificações de peças, e tudo isso é livremente acessível em uma interface amigável ao usuário. Confira nossa página de componentes passivos para encontrar os componentes de que precisa.

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