Effecten van ESL op condensatorprestaties

Condensatoren worden veel gebruikt in elektronische schakelingen voor het opslaan en beheren van energie. Typische toepassingen zijn onder meer filteren, ontkoppelen, energieopslag en afstemmen. Sommige toepassingen, zoals ontkoppeling, vereisen een lage impedantie, een hoog rimpelstroomvermogen en uitstekende piekprestaties. Inductantie is een van de belangrijkste parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van een condensator voor digitale schakelingen met hoge snelheid.

In theorie worden condensatoren algemeen beschouwd als ideale componenten. Praktische condensatoren zijn echter niet ideaal en bevatten parasitaire elementen die hun prestaties aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Deze niet-ideale eigenschappen zijn vooral afhankelijk van materialen en constructiemethoden. Het equivalente circuitmodel van een praktische condensator bestaat uit equivalente serieweerstand (ESR), equivalente serie-inductantie (ESL) en isolatieweerstand. De elektroden en de draden van een condensator dragen bij aan de resistieve component en de inductieve component, terwijl het diëlektrische materiaal bijdraagt ​​aan de isolatieweerstand.

ESR is een resistief onderdeel dat ervoor zorgt dat er wat energie verloren gaat in de vorm van warmte. Aan de andere kant veroorzaakt ESL een magnetisch veld in apparaten. Deze opbouw van magnetisch veld interfereert met hoe de stroom stijgt naar de piek en terugvalt. Over het algemeen zijn parasitaire inductantie en interne weerstand belangrijke problemen in digitale schakelingen met hoge snelheid. Naarmate de bedrijfssnelheden van digitale circuits toenemen, blijft de vraag naar condensatoren met betere prestaties en efficiëntie groeien. Een manier om de prestaties van de condensator te verbeteren, is door de interne inductantie te verminderen. Door het gebruik van de juiste materialen en geschikte constructietechnieken wordt een aanzienlijke inductantiereductie bereikt.

De noodzaak om hoge prestaties te behouden, het circuit te miniaturiseren en de kosten te beheersen, is de belangrijkste drijfveer voor nieuwe soorten condensatoren. Met behulp van geavanceerde technologieën produceren fabrikanten nieuwe soorten condensatoren om te voldoen aan de prestatie-eisen van de hedendaagse elektronische circuits. Krachtige condensatoren met zeer lage ESL's vervangen in toenemende mate conventionele keramische, tantaal en aluminium condensatoren. Tantaalpolymeercondensatoren en aluminiumpolymeercondensatoren zijn enkele van de nieuwe oplossingen voor ontkoppelingstoepassingen in hoogwaardige circuits. Deze condensatoren met zeer lage inductantie nemen veel minder ruimte in beslag en de productiekosten zijn redelijk.

PARASITISCHE INDUCTANTIE IN KERAMISCHE CONDENSATOREN
Keramische condensatoren worden vaak gebruikt in elektronische schakelingen voor ontkoppelingstoepassingen. Het equivalente circuitmodel van een typische meerlaagse keramische condensator bestaat uit drie elementen:de condensator, serieweerstand en parasitaire inductantie. Voor ontkoppelingstoepassingen in snelle digitale systemen is de inductantie van een MLCC een belangrijke factor. Dit komt omdat de rimpelspanning afhankelijk is van de inductantie. De huidige lus is het belangrijkste fysieke kenmerk dat de equivalente serie-inductantie bepaalt. ESL neemt toe met een toename in de grootte van de huidige lus.

In chipcondensatoren wordt de equivalente serie-inductantie sterk bepaald door de afstand tussen de aansluitingen. Omdat condensatoren met een kleinere stroomlus lagere inductanties hebben, helpt het verkleinen van de afstand tussen de aansluitingen van een condensator om de grootte van de stroomlus te verkleinen. Het gebruik van tegenstroomlussen helpt om de equivalente serie-inductantie in opbouwcondensatoren verder te verminderen. Aanzienlijke vermindering van de inductantie kan worden bereikt door de architectuur van een opbouwcondensator te optimaliseren.

In bypass-condensatoren is de resonantiefrequentie afhankelijk van parasitaire inductantie. Het effect van deze parasitaire component komt vaker voor in hoogfrequente toepassingen. Het is daarom van cruciaal belang voor ontwerpingenieurs om de inductantie van condensatoren voor snelle digitale circuits te meten.

In op PCB's gemonteerde ontkoppelingscondensatoren wordt de inductantie voornamelijk bepaald door de structuur van het montagekussen. Stroom vloeit door de lus die wordt beschreven door deze drie elementen:condensatorhoogte, vermogensvlakspreiding en padlay-out. Aangezien de equivalente circuitinductantie toeneemt met een toename in de grootte van de stroomlus, wordt deze geminimaliseerd door ervoor te zorgen dat de stroom (Vdd) en aarde (Gnd) via's dicht bij elkaar liggen. Andere manieren om inductantie te minimaliseren zijn onder meer het selecteren van een geschikt ontwerp van de padlay-out en het gebruik van kortere via's.

Hoge capaciteit condensatoren hebben de neiging om hoge ESL's te hebben, en vice versa. Bij het ontwerpen van digitale circuits moeten ingenieurs rekening houden met zowel capaciteit als equivalente serie-inductantie. In elektronische schakelingen met hoge snelheid worden meerlaagse keramische condensatoren met lage inductantie dicht bij de belasting geplaatst. In vergelijking met conventionele tantaal- en aluminiumcondensatoren hebben MLCC's een lagere equivalente serie-inductantie. Als ruimte geen probleem is, kunnen MLCC's parallel worden aangesloten om een ​​zeer lage equivalente serie-inductantie te bieden.

MLCC-technologieën bieden een hoge mate van ontwerpflexibiliteit om de zelfinductie ervan te onderdrukken door verschillende ontwerpconfiguraties en oplossingen. Afbeelding rechts:keramische condensatoren met lage inductie LICC. Uitgelichte afbeeldingsbron en tegoed:AVX Corporation.

PARASITISCHE INDUCTANTIE IN TANTALUMCONDENSATOREN
Tantalum condensatoren worden vaak gebruikt in toepassingen die hoge betrouwbaarheid en volumetrische efficiëntie vereisen. Net als andere typen condensatoren hebben deze condensatoren parasitaire ESR en ESL. In tantaalcondensatoren vloeien geleidingsstromen door geleiders van eindige grootte. De parasitaire inductantie van tantaalcondensatoren is te wijten aan deze geleiders. De capaciteitswaarde van een tantaalcondensator heeft een bijna verwaarloosbaar effect op de parasitaire inductantie. Bovendien blijft de ESL van een tantaalcondensator, in tegenstelling tot ESR, redelijk constant over een breed frequentiebereik. In tantaalcondensatoren wordt de equivalente serie-inductantie geminimaliseerd door gebruik te maken van facedown-aansluitingen. Het gebruik van deze aansluitingen helpt om het lusoppervlak te verkleinen, waardoor parasitaire inductie wordt verminderd.

Traditioneel zijn tantaalcondensatoren beperkt tot laagfrequente toepassingen. De indrukwekkende prestaties van tantaalcondensatoren met lage inductantie (onder de tab) hebben geleid tot nieuwe toepassingen voor tantaalcondensatoren in stroomdistributienetwerken (PDN's). Voor ontkoppelingstoepassingen in hoogwaardige digitale circuits presteren tantaalpolymeercondensatoren met lage inductantie beter dan conventionele keramische en aluminium elektrolytische condensatoren. Andere kenmerken die tantaalcondensatoren met lage inductantie tot een geschikte keuze maken voor hoogwaardige circuits, zijn onder meer een lage ESR en een matig hoge capaciteit.

afbeelding tegoed:Kemet T528; technisch referentiedocument is hier beschikbaar.

PARASITISCHE INDUCTANTIE IN ALUMINIUM ELEKTROLYTISCHE CONDENSATOREN
Al lange tijd gebruiken ontwerpers van elektronische circuits natte aluminium elektrolytische condensatoren voor bulkontkoppelingstoepassingen. De relatief hoge ESL en ESR van deze condensatoren vertragen echter hun respons en verlagen hun prestaties. Aluminiumpolymeercondensatoren hebben betere prestatiekenmerken en vervangen steeds vaker natte aluminiumcondensatoren in bulkontkoppelingstoepassingen. In tegenstelling tot conventionele aluminiumcondensatoren, gebruiken deze nieuwere condensatoren een geleidend polymeer als elektrolyt. Bovendien maken de prestaties van klep-metaalcondensatoren het gebruik van minder componenten mogelijk, waardoor ruimte wordt bespaard en de kosten worden verlaagd.

In computers en andere hoogwaardige digitale schakelingen worden condensatoren van aluminiumpolymeer en condensatoren van tantaalpolymeer gebruikt voor bulkontkoppelingstoepassingen. Naast een zeer lage ESL hebben deze metalen klepcondensatoren een zeer lage ESR, een kleine footprint, een hoog volumetrisch rendement en een matig hoge capaciteit. In vergelijking met conventionele aluminiumcondensatoren zijn klepmetaalcondensatoren echter duurder om te produceren.

CONCLUSIE
Condensatoren zijn fundamentele elementen in de meeste digitale circuits. Ontkoppelcondensatoren worden veel gebruikt in snelle geheugenchips en microprocessors. Terwijl een perfecte condensator in staat is om al zijn opgeslagen energie onmiddellijk naar een belasting over te dragen, kan een echte condensator dat niet.

De parasitaire componenten in een echte condensator voorkomen onmiddellijke overdracht van opgeslagen energie naar een belasting. Als zodanig heeft het equivalente circuitmodel van een echte condensator capacitieve, resistieve en inductieve componenten. Deze RLC-componenten worden gewoonlijk equivalente seriecapaciteit, equivalente serieweerstand en equivalente serieinductantie genoemd.

De snelheid waarmee energie wordt overgedragen aan een belasting wordt sterk bepaald door de equivalente serie-inductantie van een condensator. Deze snelheid neemt toe met een afname van ESL. De huidige digitale circuits hebben hogere schakelsnelheden en vereisen condensatoren met een lage inductantie. De vraag naar condensatoren met zeer lage inductanties blijft groeien naarmate de schakelsnelheden toenemen.

Fabrikanten verbeteren geleidelijk de productietechnologie van condensatoren om te voldoen aan de prestaties die worden vereist door de hedendaagse snelle digitale circuits.