完整的低 ESL 電容器指南

完整的低 ESL 電容器指南 

什么是低ESL？

所有組件都有一些寄生效應(yīng)，這意味著一些非預(yù)期的電感、電阻和電容。這些寄生效應(yīng)導(dǎo)致組件的實(shí)際電氣行為與組件的理想行為不同。它們可能是由于組件本身的構(gòu)造或組件在 PCB 上的放置方式而產(chǎn)生的。通常，當(dāng)提供直流電源時(shí)，無(wú)源器件將表現(xiàn)為理想元件，但寄生效應(yīng)開(kāi)始接管高頻下的電氣特性。

帶 ESL 的電容器電路模型

在電容器中，等效串聯(lián)電感 (ESL) 是電容器中的表觀電感，僅在超出特定頻率時(shí)才會(huì)變得明顯。還有一些等效串聯(lián)電阻（ESR）。最后，電容器中存在一些泄漏或體電阻，它與理想電容、ESL 和 ESR 并聯(lián)存在。下圖顯示了這一點(diǎn)，以及真正的電容器阻抗。

由于電容器中的介電材料具有很強(qiáng)的絕緣性，因此 Rbulk 的值通常非常大（~100 GOhms），因此在計(jì)算電容器的阻抗時(shí)可以忽略它。因此，我們?cè)谶x擇電容時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注ESL和ESR值。

自共振和 ESL

如果你看一下上面的電路模型，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)真正的電容器是一個(gè) RLC 電路，所以它有一些上面定義的自諧振頻率。類似的 RLC 模型用于描述電感器、變壓器甚至半導(dǎo)體（如二極管和晶體管）的真實(shí)行為。這種自諧振頻率是真正的電容器可以像電感器一樣工作的原因。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率大于自諧振頻率時(shí)，元件的電感行為占主導(dǎo)地位。

為什么會(huì)有低 ESL 和 ESR？

一般來(lái)說(shuō)，您永遠(yuǎn)不可能擁有一個(gè) ESL 和 ESR 為零的電容器，但某些應(yīng)用需要非常低的值。

選擇電容器時(shí)需要低 ESL 值的三個(gè)原因，特別是對(duì)于高速/高頻應(yīng)用：

在濾波應(yīng)用中：低 ESL 意味著自諧振頻率更高，因此電容器在更寬的頻率上表現(xiàn)得像一個(gè)理想元件。

在電源應(yīng)用中：瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)更快，這意味著電容器可以更快地放電和提供電力。濾波的同樣好處也適用于電源應(yīng)用。低 ESR 在這里也很重要，因?yàn)?ESR 較低時(shí)充電/放電速度更快。

在去耦應(yīng)用中：當(dāng)用于高速 IC 的去耦/旁路時(shí)，低 ESL 電容器可更大程度地減少接地反彈和電源反彈。

下圖顯示了 ESL 如何影響具有 0.01 歐姆 ESR 的理論 10 nF 電容器的阻抗。各種曲線顯示了不同 ESL 值（1 nH、10 nH 和 100 nH）的阻抗曲線。從圖中，我們看到阻抗在自諧振頻率之前是容性的，而與 ESL 值無(wú)關(guān)，然后在自諧振頻率之外變?yōu)楦行浴?

我們看到阻抗對(duì)于在開(kāi)關(guān)電源、逆變器或電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中使用的電容器，ESL 通常不是一個(gè)主要問(wèn)題。PWM 驅(qū)動(dòng)器信號(hào)通常足夠慢，以至于絕大多數(shù)功率都集中在自諧振頻率以下，因此幾乎可以使用任何具有高額定電壓的電容器。例外情況是當(dāng)您選擇更高的開(kāi)關(guān)頻率（MHz 和更高）和更快的上升時(shí)間（~1 ns）以確保非常高效的電源轉(zhuǎn)換時(shí)。在這種情況下，你的 PWM 驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)激發(fā)自諧振，并且需要低 ESL 電容器。

對(duì)于數(shù)字去耦應(yīng)用，我們需要確保流入 PCB 的 PDN 的電流平滑，使用低 ESL 電容器有助于確保 PDN 阻抗平滑到更高的頻率。目標(biāo)是將 PDN 阻抗保持在某個(gè)目標(biāo)值以下，因?yàn)榈妥杩箷?huì)轉(zhuǎn)化為 PDN 上的小電壓干擾。這就是為什么過(guò)時(shí)的高速設(shè)計(jì)應(yīng)用筆記會(huì)告訴您使用三個(gè)電容器對(duì)每個(gè) IC（10 nF、1 nF 和 100 pF）進(jìn)行去耦。對(duì)于諸如高速 FPGA等上升時(shí)間非常短的高級(jí)組件，去耦策略可能要復(fù)雜得多，因?yàn)槲覀冃枰_(dá)到 10 或 100 GHz 的平坦阻抗。

什么決定了電容器的 ESL 和 ESR？

影響電容器 ESL 和 ESR 值的三個(gè)因素。這些包括：

電介質(zhì)材料：電介質(zhì)與電容引線之間的接觸電阻決定了ESR值，電介質(zhì)的磁導(dǎo)率決定了ESR值。

封裝尺寸：這個(gè)因素對(duì)電容器的 ESL 和 ESR 影響最大。較大的封裝將具有較大的引線和接觸電介質(zhì)的觸點(diǎn)，因此它們可以具有較大的 ESL 值。

安裝方式：由于通孔電容器上的引線尺寸較大，通孔元件的 ESL 往往高于 SMD 電容器。

因?yàn)殡娙萜髦惺褂玫慕殡姴牧蠜Q定了 ESL 和 ESR，我們現(xiàn)在可以看到為什么一些 IC 數(shù)據(jù)表和應(yīng)用說(shuō)明會(huì)推薦特定類型的電容器。某些類型的電容器（例如，鉭、陶瓷等）可能傾向于具有較低的自諧振頻率，因此它們是用于高速數(shù)字應(yīng)用的更好選擇。同時(shí)，對(duì)于電力電子而言，使用更大的電容器更多是為了確保高電壓額定值和保持穩(wěn)定的直流輸出，因此 ESL 和自諧振不太重要。

選擇低 ESL 電容器

不幸的是，當(dāng)您需要找到低 ESL 電容器時(shí)，大多數(shù)數(shù)據(jù)表都無(wú)法為您提供特定的 ESL 值。數(shù)據(jù)表可能會(huì)更好地顯示 ESR 值，這對(duì)于了解阻抗曲線的平坦程度很重要。一些專門作為高頻電容器銷售的電容器數(shù)據(jù)表可能包含阻抗與頻率曲線，這有助于您立即確定電容器是否滿足您的帶寬要求。

數(shù)字與模擬

為無(wú)線系統(tǒng)等模擬系統(tǒng)選擇低 ESL 電容器相當(dāng)容易。只需檢查電容器是否像理想電容器一樣工作，并且其自諧振頻率大于系統(tǒng)中的工作頻率。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)是寬帶的，所以您需要將整個(gè)阻抗與頻率的曲線與您的信號(hào)帶寬進(jìn)行比較，而不能只查看單個(gè)頻率。

使用低 ESL 電容器去耦

請(qǐng)記住，物理上較小的電容器具有較低的 ESL 值，因此具有較高的自諧振頻率；這也是為什么在高速數(shù)字系統(tǒng)中推薦使用物理上更小的電容器的另一個(gè)原因。如果您查看典型高速數(shù)字系統(tǒng)中的布局和 PDN 去耦方案，您會(huì)發(fā)現(xiàn)去耦網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)并聯(lián)電容器。這樣做有一個(gè)特定的原因：并聯(lián)使用多個(gè)相同的電容器會(huì)增加總等效電容并降低 PDN 阻抗，但不會(huì)改變諧振頻率。這在下面的示例中顯示了 5 個(gè)具有相同 C 和 ESL 值的電容器。

       上圖中忽略了 ESR，但無(wú)論如何我們都會(huì)得到相同的結(jié)果；我將把它作為練習(xí)留給讀者。這里的重點(diǎn)是，如果需要選擇低ESL且自諧振頻率高的電容，可以使用較小的電容，只需將多個(gè)電容并聯(lián)即可。單個(gè)低 ESL 電容器或并聯(lián)的多個(gè)相同電容器的頻率響應(yīng)將相同。

相同的想法并不嚴(yán)格適用于并聯(lián)放置的具有不同 C 或 ESL 值的不同電容器。在這種情況下，由于不同極點(diǎn)的不同 RLC 網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用會(huì)出現(xiàn)多個(gè)諧振峰，需要更徹底的分析來(lái)了解這些電容器網(wǎng)絡(luò)的阻抗和頻率響應(yīng)。

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