Полное руководство по конденсаторам с низким ESL

Резисторы, конденсаторы и индуктивности... они являются фундаментальными компонентами, и на занятиях по электронике всегда предполагается, что эти компоненты работают точно так, как описано в учебниках. К сожалению, это не совсем так; ваш конденсатор в конечном итоге будет вести себя как индуктивность на высоких частотах, что приведет к нежелательному поведению и некорректному импедансу в ваших схемах.

Виновником является эквивалентная последовательная индуктивность или ESL. У всех конденсаторов есть некоторая паразитная ESL, которая становится измеримой на достаточно высоких частотах, и вопрос только в том, имеет ли значение значение ESL для вашего конкретного приложения. Системы с высокоскоростной цифровой передачей, РЧ-системы и многие другие приложения специально требуют конденсаторов с низким ESL для установления целевого импеданса, фильтрации в желаемом диапазоне частот и обеспечения развязки в PDN печатной платы.

В некоторых технических описаниях компонентов или примечаниях к применению просто указано, что вы должны использовать определенный тип конденсатора без каких-либо дополнительных объяснений, в то время как другие технические описания требуют конденсатор с конкретным значением ESL, но без каких-либо других указаний. Так как же можно быть уверенным, что вы используете правильный конденсатор с низким ESL в вашем проекте? Руководства, которые я здесь собрал, должны помочь вам начать понимать, как найти и выбрать конденсаторы с низким ESL для продвинутых приложений.

Что такое низкий ESL?

У всех компонентов есть некоторые паразиты, то есть непреднамеренная индуктивность, сопротивление и емкость. Эти паразиты заставляют реальное электрическое поведение компонента отличаться от идеального поведения компонента. Они могут возникать из-за конструкции самого компонента или из-за способа его размещения на печатной плате. В общем, при питании постоянным током пассивные компоненты будут вести себя как идеальные компоненты, но на высоких частотах начинают преобладать паразитные эффекты.

Модель схемы конденсатора с ESL

В конденсаторе эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) является видимой индуктивностью в конденсаторе, которая становится заметной только на определенных частотах. Также существует некоторое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Наконец, в конденсаторе есть некоторое утечное или объемное сопротивление, которое существует параллельно с идеальной емкостью, ESL и ESR. Это показано на следующем изображении, а также истинный импеданс конденсатора.

Поскольку диэлектрический материал в конденсаторе сильно изолирующий, значение Rbulk обычно очень велико (~100 ГОм), поэтому его можно игнорировать при расчете импеданса конденсатора. Поэтому нам нужно сосредоточиться на значениях ESL и ESR при выборе конденсаторов.

Собственный резонанс и ESL

Если вы посмотрите на приведенную выше модель схемы, вы увидите, что реальный конденсатор является RLC-цепью, поэтому у него есть некоторая собственная резонансная частота, как определено выше. Подобные RLC-модели используются для описания реального поведения индукторов, трансформаторов и даже полупроводников, таких как диоды и транзисторы. Эта собственная резонансная частота является причиной того, почему реальные конденсаторы могут вести себя как индукторы; когда рабочая частота больше собственной резонансной частоты, доминирует индуктивное поведение компонента.

Почему важно иметь низкие значения ESL и ESR?

В общем, вы никогда не сможете иметь конденсатор с нулевыми значениями ESL и ESR, но некоторые приложения требуют очень низких значений.

Есть три причины, по которым вы хотите иметь низкие значения ESL при выборе конденсатора, особенно для приложений с высокой скоростью/высокой частотой:

• В приложениях фильтрации: Низкий ESL означает, что собственная резонансная частота выше, так что конденсатор ведет себя как идеальный компонент на более широких частотах.

• В энергетических приложениях: транзиентная характеристика будет быстрее, что означает, что конденсатор может разряжаться и поставлять энергию быстрее. Те же преимущества для фильтрации также применимы в энергетических приложениях. Низкий ESR также важен здесь, поскольку зарядка/разрядка происходит быстрее при низком ESR.

• В приложениях развязки: При использовании для развязки/обхода на высокоскоростных ИС, конденсаторы с низким ESL обеспечивают большее снижение отскока земли и отскока питания.

На изображении ниже показано, как ESL влияет на импеданс теоретического конденсатора на 10 нФ с ESR 0.01 Ом. Различные кривые показывают профили импеданса для разных значений ESL (1 нГн, 10 нГн и 100 нГн). Из графика мы видим, что импеданс является емкостным до собственной резонансной частоты, независимо от значения ESL, а затем становится индуктивным за пределами собственной резонансной частоты. Мы видим, что импеданс 

Для конденсаторов, используемых в приложениях, таких как импульсные источники питания, инверторы или преобразователи мощности, ESL обычно не является такой большой проблемой. Сигналы драйвера ШИМ обычно достаточно медленные, что большая часть мощности сосредоточена ниже собственной резонансной частоты, поэтому можно использовать практически любой конденсатор с высоким напряжением. Исключение составляют случаи, когда вы выбираете гораздо более высокую частоту переключения (МГц и выше) и более быстрое время нарастания (~1 нс), чтобы обеспечить очень эффективное преобразование мощности. В этом случае ваш драйвер ШИМ может возбудить собственный резонанс, и требуются конденсаторы с низким ESL.

Для приложений цифровой развязки, где нам необходимо обеспечить плавность потребляемого тока в PDN печатной платы, использование конденсаторов с низким ESL помогает обеспечить плавность импеданса PDN до более высоких частот. Цель состоит в том, чтобы поддерживать импеданс PDN ниже некоторого целевого значения, поскольку низкий импеданс приводит к малому напряженному возмущению на PDN. Вот почему устаревшие заметки по применению для высокоскоростного дизайна говорят вам использовать три конденсатора для развязки каждой ИС (10 нФ, 1 нФ и 100 пФ). Для передовых компонентов, таких как высокоскоростные FPGA, которые могут иметь очень низкие времена нарастания, стратегия развязки может быть гораздо более сложной, поскольку нам нужен плоский импеданс до 10-ков или 100-ков ГГц.

Что определяет ESL и ESR конденсатора?

Три фактора влияют на значения ESL и ESR конденсатора. К ним относятся:

• Диэлектрический материал: Контактное сопротивление между диэлектриком и выводом конденсатора определяет значение ESR, а проницаемость диэлектрика определяет значение ESR.

• Размер корпуса: Этот фактор оказывает наибольшее влияние на ESL и ESR в конденсаторе. Большие корпуса будут иметь большие выводы и контакты против диэлектрика, поэтому они могут иметь большие значения ESL.

• Способ монтажа: Компоненты с монтажом через отверстие имеют более высокий ESL, чем SMD-конденсаторы, из-за большого размера выводов на конденсаторах с монтажом через отверстие.

Поскольку диэлектрический материал, используемый в конденсаторе, определяет ESL и ESR, теперь мы можем понять, почему некоторые технические описания ИС и заметки по применению могут рекомендовать определенный тип конденсатора. Некоторые типы конденсаторов (например, танталовые, керамические и т. д.) могут иметь более низкие саморезонансные частоты, поэтому они лучше подходят для использования в высокоскоростных цифровых приложениях. Между тем, для силовой электроники использование больших конденсаторов больше связано с обеспечением высокого напряжения и поддержанием стабильного постоянного выхода, поэтому ESL и саморезонанс имеют меньшее значение.

Выбор конденсатора с низким ESL

К сожалению, когда вам нужно найти конденсатор с низким ESL, большинство технических описаний плохо справляются с задачей дать вам конкретное значение для ESL. Технические описания могут лучше справляться с показом значения ESR, что важно для понимания, насколько плоской является кривая импеданса. Некоторые технические описания для конденсаторов, которые специально рекламируются как высокочастотные, могут включать кривую импеданса в зависимости от частоты, что действительно помогает вам сразу определить, удовлетворит ли конденсатор вашим требованиям к полосе пропускания.

Определение подходящего конденсатора с низким ESL

Поскольку значения ESL конденсаторов редко находятся в технических описаниях, вам нужно будет смотреть на руководства по продукции от производителя. Если вы можете найти диаграмму, подобную показанной ниже, вы можете получить хорошее представление о значении ESL вашего конденсатора. Следующая диаграмма показывает, как связаны саморезонанс и емкость для серии MLCC 600 от American Technical Ceramics, и наклон кривой связан с значением ESL конденсатора.

Цифровые против аналоговых

Выбор конденсатора с низким ESL для аналоговой системы, такой как беспроводная система, довольно прост. Просто проверьте, что конденсатор действует как идеальный конденсатор и что его собственная резонансная частота выше рабочей частоты в системе. Поскольку цифровые сигналы являются широкополосными, вам нужно сравнить всю кривую импеданса в зависимости от частоты с полосой пропускания вашего сигнала, вы не можете смотреть только на одну частоту.

Развязка с помощью конденсаторов с низким ESL

Помните, что физически меньшие конденсаторы имеют более низкие значения ESL и, следовательно, более высокую собственную резонансную частоту; это еще одна причина, по которой для высокоскоростных цифровых систем рекомендуются физически меньшие конденсаторы. Если вы посмотрите на расположение и схему развязки PDN в типичной высокоскоростной цифровой системе, вы увидите, что в сети развязки параллельно установлено несколько конденсаторов. Для этого есть конкретная причина: использование нескольких одинаковых конденсаторов параллельно увеличит общую эквивалентную емкость и уменьшит импеданс PDN, но это не изменит резонансную частоту. Это показано на примере ниже для 5 конденсаторов с одинаковыми значениями C и ESL.

Я проигнорировал ESR на приведенной выше диаграмме, но результат получается тот же; я оставлю это в качестве упражнения для читателя. Суть здесь в том, что если вам нужно выбрать конденсатор с низким ESL и высокой собственной резонансной частотой, вы можете использовать конденсатор меньшей емкости и просто поставить несколько конденсаторов параллельно. Частотная характеристика одного конденсатора с низким ESL или нескольких идентичных конденсаторов, подключенных параллельно, будет одинаковой.

Те же идеи строго не применимы к разным конденсаторам с разными значениями C или ESL, установленными параллельно. В этом случае будет несколько пиков резонанса из-за взаимодействия между разными сетями RLC с разными полюсами, и для понимания импеданса и частотной характеристики этих сетей конденсаторов требуется более тщательный анализ.

Используйте лучшую поисковую систему для нахождения конденсаторов с низким ESL

Лучшая поисковая система электронных компонентов может помочь вам сузить поиск до конкретных значений ESR, стилей монтажа, диэлектрических материалов и, конечно же, значения емкости. Когда вы можете сузить поиск до конкретных типов материалов, вы можете определить различные типы конденсаторов, которые, скорее всего, будут иметь низкие значения ESL.

Когда вам нужно найти конденсаторы с низким ESL в стандартных корпусах от крупных производителей, используйте комплексный набор расширенных функций поиска и фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, запасах компонентов и спецификациях деталей, и все это доступно в удобном пользовательском интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с пассивными компонентами, чтобы найти необходимые вам компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.