Влияние ESL на производительность конденсатора

Конденсаторы широко используются в электронных схемах для хранения и управления энергией. Типичные приложения включают фильтрацию, развязку, накопление энергии и настройку. Некоторые приложения, такие как развязка, требуют низкого импеданса, высокой устойчивости к пульсирующим токам и отличных характеристик импульсных помех. Индуктивность - один из ключевых параметров, который следует учитывать при выборе конденсатора для высокоскоростных цифровых схем.

Теоретически конденсаторы обычно считаются идеальными компонентами. Однако практические конденсаторы неидеальны и содержат паразитные элементы, которые могут существенно повлиять на их работу. Эти неидеальные характеристики в основном зависят от материалов и методов строительства. Модель эквивалентной схемы практического конденсатора состоит из эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) и сопротивления изоляции. Электроды и выводы конденсатора вносят вклад в резистивную и индуктивную составляющие, а диэлектрический материал вносит вклад в сопротивление изоляции.

ESR - резистивный компонент, который вызывает потерю некоторой энергии в виде тепла. С другой стороны, ESL вызывает накопление магнитного поля в устройствах. Это накопление магнитного поля мешает тому, как ток поднимается до пика и падает обратно. Как правило, паразитная индуктивность и внутреннее сопротивление являются основными проблемами в высокоскоростных цифровых схемах. По мере увеличения скорости работы цифровых схем потребность в конденсаторах с лучшими характеристиками и эффективностью продолжает расти. Одним из способов повышения производительности конденсатора является уменьшение внутренней индуктивности. Значительное снижение индуктивности достигается за счет использования правильных материалов и подходящей технологии строительства.

Необходимость поддерживать высокую производительность, миниатюризацию схемы и затраты на контроль является основным фактором перехода к новым типам конденсаторов. Используя передовые технологии, производители производят новые типы конденсаторов, отвечающие требованиям современных электронных схем. Конденсаторы с высокими рабочими характеристиками с очень низким уровнем ESL все чаще заменяют обычные керамические, танталовые и алюминиевые конденсаторы. Танталовые полимерные конденсаторы и алюминиево-полимерные конденсаторы являются одними из новых решений для развязки в высокопроизводительных схемах. Эти конденсаторы с очень низкой индуктивностью занимают гораздо меньше места, а стоимость их производства разумна.

ПАРАЗИТНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ В КЕРАМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРАХ
Керамические конденсаторы обычно используются в электронных схемах для развязки. Модель эквивалентной схемы типичного многослойного керамического конденсатора состоит из трех элементов:конденсатора, последовательного сопротивления и паразитной индуктивности. Для развязки в высокоскоростных цифровых системах индуктивность MLCC является важным фактором. Это связано с тем, что пульсации напряжения зависят от индуктивности. Токовая петля является ключевой физической характеристикой, определяющей эквивалентную последовательную индуктивность. ESL увеличивается с увеличением размера токовой петли.

В микросхемных конденсаторах эквивалентная последовательная индуктивность во многом определяется расстоянием между выводами. Поскольку конденсаторы с меньшей токовой петлей имеют меньшую индуктивность, уменьшение расстояния между выводами конденсатора помогает уменьшить размер токовой петли. Использование противоположных токовых петель помогает еще больше снизить эквивалентную последовательную индуктивность в конденсаторах поверхностного монтажа. Значительного снижения индуктивности можно добиться за счет оптимизации конструкции конденсатора для поверхностного монтажа.

В шунтирующих конденсаторах резонансная частота зависит от паразитной индуктивности. Влияние этого паразитного компонента становится более распространенным в высокочастотных приложениях. Поэтому для инженеров-проектировщиков очень важно измерить индуктивность конденсаторов для высокоскоростных цифровых схем.

В конденсаторах развязки, установленных на печатной плате, индуктивность в основном определяется конструкцией монтажной площадки. Ток протекает через контур, описываемый этими тремя элементами:высотой конденсатора, распределением силовой плоскости и компоновкой контактных площадок. Поскольку индуктивность эквивалентной схемы увеличивается с увеличением размера токовой петли, она минимизируется за счет того, что переходные отверстия питания (Vdd) и заземления (Gnd) расположены близко друг к другу. Другие способы минимизировать индуктивность включают выбор подходящей конструкции компоновки контактных площадок и использование более коротких переходных отверстий.

Конденсаторы с высокой емкостью имеют тенденцию к высоким ESL, и наоборот. При проектировании цифровых схем инженеры должны учитывать как емкость, так и эквивалентную последовательную индуктивность. В высокоскоростных электронных схемах многослойные керамические конденсаторы с низкой индуктивностью размещаются близко к нагрузке. По сравнению с обычными танталовыми и алюминиевыми конденсаторами, MLCC имеют более низкую эквивалентную последовательную индуктивность. Если пространство не является проблемой, MLCC могут быть подключены параллельно, чтобы обеспечить очень низкую эквивалентную последовательную индуктивность.

Технологии MLCC обеспечивают высокий уровень гибкости конструкции для подавления его самоиндукции за счет различных конструктивных конфигураций и решений. Изображение справа:низкоиндуктивные керамические конденсаторы LICC. Источник избранного изображения и предоставлено:AVX Corporation.

ПАРАЗИТНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ В ТАНТАЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРАХ
Танталовые конденсаторы обычно используются в приложениях, требующих высокой надежности и объемного КПД. Как и другие типы конденсаторов, эти конденсаторы имеют паразитное ESR и ESL. В танталовых конденсаторах токи проводимости проходят через проводники конечного размера. Паразитная индуктивность танталовых конденсаторов обусловлена ​​этими проводниками. Значение емкости танталового конденсатора практически не влияет на паразитную индуктивность. Кроме того, в отличие от ESR, ESL танталового конденсатора остается довольно постоянным в широком диапазоне частот. В танталовых конденсаторах эквивалентная последовательная индуктивность минимизирована за счет использования выводов лицевой стороной вниз. Использование этих выводов помогает уменьшить площадь контура, тем самым уменьшая паразитную индуктивность.

Традиционно танталовые конденсаторы используются только в низкочастотных приложениях. Впечатляющие характеристики танталовых конденсаторов с лицевой стороной вниз (underab) с низкой индуктивностью создали новые области применения танталовых конденсаторов в электрических распределительных сетях (PDN). Для развязки в высокопроизводительных цифровых схемах танталовые полимерные конденсаторы с низкой индуктивностью работают лучше, чем обычные керамические и алюминиевые электролитические конденсаторы. Другие характеристики, которые делают танталовые конденсаторы с низкой индуктивностью подходящим выбором для высокопроизводительных схем, включают низкое последовательное последовательное сопротивление (ESR) и умеренно высокую емкость.

Изображение предоставлено:Kemet T528; справочный технический документ доступен здесь.

ПАРАЗИТНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ В АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРАХ
В течение долгого времени разработчики электронных схем использовали влажные алюминиевые электролитические конденсаторы для объемной развязки. Однако относительно высокие значения ESL и ESR этих конденсаторов замедляют их реакцию и снижают их производительность. Алюминиевые полимерные конденсаторы обладают лучшими эксплуатационными характеристиками, и они все чаще заменяют влажные алюминиевые конденсаторы в приложениях с объемной развязкой. В отличие от обычных алюминиевых конденсаторов, в этих новых конденсаторах в качестве электролита используется проводящий полимер. Кроме того, характеристики конденсаторов из вентильного металла позволяют использовать меньше компонентов, что позволяет сэкономить место и снизить затраты.

В компьютерах и других высокопроизводительных цифровых схемах алюминиево-полимерные конденсаторы и тантал-полимерные конденсаторы используются для объемной развязки. В дополнение к очень низкому ESL, эти конденсаторы из вентильного металла имеют очень низкое ESR, малую площадь основания, высокий объемный КПД и умеренно высокую емкость. Однако по сравнению с обычными алюминиевыми конденсаторами производство вентильных металлических конденсаторов дороже.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конденсаторы - фундаментальные элементы в большинстве цифровых схем. Конденсаторы развязки широко используются в высокоскоростных микросхемах памяти и микропроцессорах. В то время как идеальный конденсатор способен мгновенно передавать всю накопленную энергию на нагрузку, настоящий конденсатор не может.

Паразитные компоненты в реальном конденсаторе предотвращают мгновенную передачу накопленной энергии нагрузке. Таким образом, модель эквивалентной схемы реального конденсатора имеет емкостные, резистивные и индуктивные компоненты. Эти компоненты RLC обычно называют эквивалентной последовательной емкостью, эквивалентным последовательным сопротивлением и эквивалентной последовательной индуктивностью.

Скорость, с которой энергия передается нагрузке, во многом определяется эквивалентной последовательной индуктивностью конденсатора. Эта скорость увеличивается с уменьшением ESL. Современные цифровые схемы имеют более высокую скорость переключения и требуют конденсаторов с низкой индуктивностью. Спрос на конденсаторы с очень низкой индуктивностью продолжает расти по мере увеличения скорости переключения.

Производители постоянно совершенствуют технологии производства конденсаторов, чтобы обеспечить производительность, требуемую современными высокоскоростными цифровыми схемами.