Hướng dẫn Toàn diện về Tụ điện Low-ESL

Điện trở, tụ điện, và cuộn cảm... đó là những linh kiện cơ bản và các lớp học điện tử của bạn luôn ngụ ý rằng những linh kiện này hoạt động chính xác như mô tả trong sách giáo khoa. Thật không may, điều đó không hoàn toàn đúng; tụ điện của bạn cuối cùng sẽ có hành vi như một cuộn cảm ở tần số cao, dẫn đến hành vi không mong muốn và trở kháng không chính xác trong mạch của bạn.

Thủ phạm là độ tự cảm tương đương dãy hay ESL. Tất cả tụ điện đều có một số ESL nhiễu loạn có thể đo được ở tần số đủ cao, và chỉ là vấn đề liệu giá trị ESL có quan trọng đối với ứng dụng cụ thể của bạn hay không. Các hệ thống số tốc độ cao, hệ thống RF, và nhiều ứng dụng khác cụ thể yêu cầu tụ điện có ESL thấp để đặt trở kháng mục tiêu, lọc trong phạm vi tần số mong muốn và đảm bảo sự giải ghép trong PDN của PCB.

Một số bảng dữ liệu linh kiện hoặc ghi chú ứng dụng đơn giản chỉ ra rằng bạn phải sử dụng một loại tụ điện nhất định mà không giải thích thêm, trong khi các bảng dữ liệu khác sẽ yêu cầu một tụ điện với giá trị ESL cụ thể nhưng không có hướng dẫn nào khác. Vậy làm thế nào bạn có thể chắc chắn rằng bạn đang sử dụng tụ điện ESL thấp đúng cách trong thiết kế của mình? Các hướng dẫn mà tôi đã tổng hợp ở đây nên giúp bạn bắt đầu hiểu cách tìm và chọn tụ điện ESL thấp cho các ứng dụng tiên tiến.

ESL Thấp là gì?

Tất cả các linh kiện đều có một số nhiễu loạn, nghĩa là một số độ tự cảm, điện trở, và điện dung không mong muốn. Những nhiễu loạn này khiến hành vi điện thực tế của một linh kiện khác biệt so với hành vi lý tưởng của linh kiện. Chúng có thể phát sinh do cấu trúc của chính linh kiện, hoặc do cách linh kiện được đặt trên PCB. Nói chung, khi được cung cấp điện DC, các linh kiện bị động sẽ hoạt động như các linh kiện lý tưởng, nhưng nhiễu loạn bắt đầu chi phối hành vi điện ở tần số cao.

Mô hình Mạch Tụ Điện với ESL

Trong một tụ điện, độ tự cảm tương đương dãy (ESL) là độ tự cảm hiển hiện trong tụ điện, chỉ trở nên đáng chú ý vượt qua một số tần số nhất định. Cũng có một số điện trở tương đương dãy (ESR). Cuối cùng, có một số điện trở rò hoặc điện trở khối trong tụ điện, tồn tại song song với điện dung lý tưởng, ESL, và ESR. Điều này được hiển thị trong hình ảnh sau, cũng như trở kháng thực sự của tụ điện.

Vì vật liệu điện môi trong tụ điện cách điện mạnh, giá trị của Rbulk thường rất lớn (~100 GOhm), vì vậy nó có thể được bỏ qua khi tính toán trở kháng của tụ điện. Do đó, chúng ta cần tập trung vào các giá trị ESL và ESR khi chọn tụ điện.

Tự Cộng Hưởng và ESL

Nếu bạn xem mô hình mạch ở trên, bạn sẽ thấy rằng một tụ điện thực tế là một mạch RLC, vì vậy nó có một tần số tự cộng hưởng như được định nghĩa ở trên. Các mô hình RLC tương tự được sử dụng để mô tả hành vi thực tế của các cuộn cảm, biến áp, và thậm chí là các bán dẫn như diode và transistor. Tần số tự cộng hưởng này là lý do tại sao các tụ điện thực tế có thể hoạt động như cuộn cảm; khi tần số đầu vào lớn hơn tần số tự cộng hưởng, hành vi cảm ứng của linh kiện chiếm ưu thế.

Tại sao cần có ESL và ESR thấp?

Nói chung, bạn không bao giờ có thể có một tụ điện với ESL và ESR bằng không, nhưng một số ứng dụng đòi hỏi các giá trị rất thấp.

Có ba lý do bạn muốn có giá trị ESL thấp khi chọn một tụ điện, đặc biệt là cho các ứng dụng tốc độ cao/tần số cao:

• Trong các ứng dụng lọc: ESL thấp có nghĩa là tần số tự cộng hưởng cao hơn, vì vậy tụ điện hoạt động như một linh kiện lý tưởng trên các tần số rộng hơn.

• Trong các ứng dụng điện: phản ứng chuyển tiếp sẽ nhanh hơn, nghĩa là tụ điện có thể phóng điện và cung cấp điện nhanh hơn. Các lợi ích tương tự cho lọc cũng áp dụng trong các ứng dụng điện. ESR thấp cũng quan trọng ở đây vì việc sạc/phóng điện nhanh hơn khi ESR thấp.

• Trong các ứng dụng giảm nhiễu: Khi được sử dụng để giảm nhiễu/bypass trên các IC tốc độ cao, tụ điện ESL thấp cung cấp sự giảm thiểu lớn hơn trong hiện tượng nảy đất và nảy nguồn.

Hình ảnh dưới đây cho thấy cách ESL ảnh hưởng đến trở kháng của một tụ điện lý thuyết 10 nF với ESR 0.01 Ohm. Các đường cong khác nhau cho thấy các hồ sơ trở kháng cho các giá trị ESL khác nhau (1 nH, 10 nH, và 100 nH). Từ đồ thị, chúng ta thấy rằng trở kháng mang tính tụ điện cho đến tần số tự cộng hưởng, bất kể giá trị ESL và sau đó trở thành cảm ứng vượt qua tần số tự cộng hưởng. Chúng ta thấy rằng trở kháng 

Đối với các tụ điện được sử dụng trong các ứng dụng như nguồn cung cấp chuyển mạch, bộ đảo chiều, hoặc bộ chuyển đổi điện, ESL thường không phải là vấn đề lớn. Tín hiệu điều khiển PWM thường đủ chậm đến mức phần lớn công suất tập trung dưới tần số tự cộng hưởng, vì vậy hầu như bất kỳ tụ điện nào có điện áp cao cũng có thể được sử dụng. Ngoại lệ là khi bạn chọn một tần số chuyển mạch cao hơn nhiều (MHz và cao hơn) và thời gian tăng nhanh (~1 ns) để đảm bảo chuyển đổi điện năng hiệu quả cao. Trong trường hợp đó, tín hiệu điều khiển PWM của bạn có thể kích thích một tự cộng hưởng, và cần có tụ điện ESL thấp.

Đối với các ứng dụng giảm nhiễu số, nơi chúng ta cần đảm bảo dòng điện được rút vào mạch in PDN một cách mượt mà, việc sử dụng tụ điện có ESL thấp giúp đảm bảo trở kháng PDN mượt mà đến tần số cao hơn. Mục tiêu là giữ trở kháng PDN dưới một giá trị mục tiêu nào đó vì trở kháng thấp dẫn đến sự biến động điện áp nhỏ trên PDN. Đây là lý do tại sao các ghi chú ứng dụng thiết kế tốc độ cao lỗi thời sẽ nói với bạn sử dụng ba tụ điện để giảm nhiễu cho mỗi IC (10 nF, 1 nF và 100 pF). Đối với các thành phần tiên tiến như FPGA tốc độ cao, có thể có thời gian tăng rất thấp, chiến lược giảm nhiễu có thể phức tạp hơn nhiều vì chúng ta cần trở kháng phẳng đến 10 hoặc 100 GHz.

Những yếu tố nào quyết định ESL và ESR của tụ điện?

Có ba yếu tố góp phần vào giá trị ESL và ESR của một tụ điện. Bao gồm:

• Vật liệu điện môi: Sự kháng cự tiếp xúc giữa điện môi và chân tụ điện quyết định giá trị ESR, và độ thấm của điện môi quyết định giá trị ESR.

• Kích thước gói: Yếu tố này có ảnh hưởng lớn nhất đến ESL và ESR trong một tụ điện. Các gói lớn hơn sẽ có chân và tiếp xúc lớn hơn với điện môi, vì vậy chúng có thể có giá trị ESL lớn hơn.

• Phong cách lắp đặt: Các thành phần lắp qua lỗ thường có ESL cao hơn so với tụ điện SMD do kích thước lớn của chân trên tụ điện lắp qua lỗ.

Vì vật liệu điện môi được sử dụng trong tụ điện quyết định ESL và ESR, chúng ta có thể thấy tại sao một số bảng dữ liệu IC và ghi chú ứng dụng sẽ khuyến nghị một loại tụ điện cụ thể. Một số loại tụ điện (ví dụ, tantalum, gốm, v.v.) có thể có tần số tự cộng hưởng thấp hơn, vì vậy chúng là lựa chọn tốt hơn để sử dụng trong các ứng dụng số tốc độ cao. Trong khi đó, đối với điện tử công suất, việc sử dụng các tụ điện lớn hơn nhiều về việc đảm bảo một điện áp định mức cao và duy trì đầu ra DC ổn định, vì vậy ESL và tự cộng hưởng ít quan trọng hơn.

Chọn một tụ điện ESL thấp

Thật không may, khi bạn cần tìm một tụ điện ESL thấp, hầu hết các bảng dữ liệu không làm tốt việc cung cấp cho bạn một giá trị cụ thể cho ESL. Bảng dữ liệu có thể làm tốt hơn trong việc hiển thị một giá trị ESR, điều này quan trọng để hiểu cách đường cong trở kháng phẳng. Một số bảng dữ liệu cho tụ điện được tiếp thị cụ thể như tụ điện tần số cao có thể bao gồm một đường cong trở kháng so với tần số, giúp bạn ngay lập tức xác định liệu tụ điện có đáp ứng yêu cầu băng thông của bạn hay không.

Xác định một tụ điện ESL thấp tiềm năng

Vì giá trị ESL của tụ điện hiếm khi được tìm thấy trong bảng dữ liệu, bạn sẽ cần xem các hướng dẫn sản phẩm từ nhà sản xuất. Nếu bạn có thể tìm thấy một biểu đồ như dưới đây, bạn có thể có một ý tưởng tốt về giá trị ESL cho tụ điện của mình. Biểu đồ sau đây cho thấy mối quan hệ giữa tự cộng hưởng và dung lượng cho Dòng MLCC 600 của American Technical Ceramics, và độ dốc của đường cong liên quan đến giá trị ESL của tụ điện.

Số hóa so với Tương tự

Việc chọn một tụ điện có ESL thấp cho một hệ thống tương tự, như một hệ thống không dây, khá là dễ dàng. Chỉ cần kiểm tra xem tụ điện có hoạt động như một tụ điện lý tưởng và tần số tự cộng hưởng của nó lớn hơn tần số hoạt động trong hệ thống. Bởi vì tín hiệu số là băng thông rộng, bạn cần so sánh toàn bộ đường cong trở kháng so với tần số với băng thông tín hiệu của bạn, bạn không thể chỉ nhìn vào một tần số duy nhất.

Giảm nhiễu với Tụ Điện ESL Thấp

Nhớ rằng, tụ điện có kích thước nhỏ hơn sẽ có giá trị ESL thấp hơn và do đó tần số tự cộng hưởng cao hơn; đây là một lý do khác tại sao tụ điện có kích thước nhỏ hơn được khuyến nghị cho các hệ thống số tốc độ cao. Nếu bạn xem xét bố cục và kế hoạch giảm nhiễu PDN trong một hệ thống số tốc độ cao điển hình, bạn sẽ thấy có nhiều tụ điện được đặt song song trong mạng lưới giảm nhiễu. Có một lý do cụ thể cho điều này: sử dụng nhiều tụ điện giống nhau song song sẽ tăng tổng dung lượng tương đương và giảm trở kháng PDN, nhưng nó sẽ không thay đổi tần số cộng hưởng. Điều này được minh họa trong ví dụ dưới đây cho 5 tụ điện với cùng giá trị C và ESL.

Tôi đã bỏ qua ESR trong sơ đồ trên, nhưng chúng ta nhận được kết quả tương tự bất kể; Tôi sẽ để việc này như một bài tập cho người đọc. Điểm ở đây là, nếu bạn cần chọn một tụ điện ESL thấp với tần số tự cộng hưởng cao, bạn có thể sử dụng dung lượng nhỏ hơn, và chỉ cần đặt nhiều tụ điện song song. Đáp ứng tần số cho một tụ điện ESL thấp duy nhất hoặc nhiều tụ điện giống nhau đặt song song sẽ giống nhau.

Cùng một ý tưởng không hoàn toàn áp dụng cho các tụ điện khác nhau với các giá trị C hoặc ESL khác nhau được đặt song song. Trong trường hợp này, sẽ có nhiều đỉnh cộng hưởng do sự tương tác giữa các mạng lưới RLC khác nhau với các cực khác nhau, và cần phải phân tích kỹ lưỡng hơn để hiểu về trở kháng và đáp ứng tần số của các mạng lưới tụ điện này.

Sử dụng Công Cụ Tìm Kiếm Tốt Nhất để Tìm Tụ Điện ESL Thấp

Công cụ tìm kiếm linh kiện điện tử tốt nhất có thể giúp bạn thu hẹp xuống các giá trị ESR cụ thể, kiểu lắp đặt, vật liệu điện môi, và tất nhiên là giá trị dung lượng. Khi bạn có thể thu hẹp xuống các loại vật liệu cụ thể, bạn có thể xác định các loại tụ điện có khả năng có giá trị ESL thấp nhất.

Khi bạn cần tìm tụ điện ESL thấp trong các gói tiêu chuẩn từ các nhà sản xuất lớn, sử dụng bộ tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao của Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá cập nhật của nhà phân phối, hàng tồn kho, và thông số kỹ thuật của linh kiện, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang linh kiện thụ động của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Luôn cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.