Auswirkungen von ESL auf die Kondensatorleistung

Kondensatoren werden häufig in elektronischen Schaltungen zum Speichern und Verwalten von Energie verwendet. Typische Anwendungen sind Filterung, Entkopplung, Energiespeicherung und Abstimmung. Einige Anwendungen wie die Entkopplung erfordern eine niedrige Impedanz, eine hohe Welligkeitsstromfähigkeit und eine ausgezeichnete Stoßspannungsleistung. Die Induktivität ist einer der Schlüsselparameter, die bei der Auswahl eines Kondensators für digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu berücksichtigen sind.

Theoretisch werden Kondensatoren allgemein als ideale Komponenten angesehen. Praktische Kondensatoren sind jedoch nicht ideal und enthalten parasitäre Elemente, die ihre Leistung erheblich beeinträchtigen können. Diese nicht idealen Eigenschaften hängen hauptsächlich von Materialien und Konstruktionsmethoden ab. Das Ersatzschaltbildmodell eines praktischen Kondensators besteht aus dem Ersatzserienwiderstand (ESR), der Ersatzserieninduktivität (ESL) und dem Isolationswiderstand. Die Elektroden und die Leitungen eines Kondensators tragen die Widerstandskomponente und die induktive Komponente bei, während das dielektrische Material den Isolationswiderstand beiträgt.

ESR ist eine Widerstandskomponente, die dazu führt, dass ein Teil der Energie in Form von Wärme verloren geht. Auf der anderen Seite bewirkt ESL den Aufbau eines Magnetfelds in Geräten. Dieser Aufbau eines Magnetfelds stört, wie der Strom auf den Spitzenwert ansteigt und zurückfällt. Im Allgemeinen sind parasitäre Induktivität und Innenwiderstand Hauptprobleme in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Da die Betriebsgeschwindigkeiten digitaler Schaltungen steigen, wächst die Nachfrage nach Kondensatoren mit besserer Leistung und Effizienz weiter. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Kondensatorleistung besteht darin, die interne Induktivität zu reduzieren. Durch die Verwendung richtiger Materialien und geeigneter Konstruktionstechniken wird eine erhebliche Induktivitätsreduzierung erreicht.

Die Notwendigkeit, eine hohe Leistung beizubehalten, die Schaltung zu miniaturisieren und die Kosten zu kontrollieren, ist der Hauptgrund für neue Kondensatortypen. Unter Verwendung fortschrittlicher Technologien produzieren Hersteller neue Arten von Kondensatoren, um die Leistungsanforderungen heutiger elektronischer Schaltungen zu erfüllen. Hochleistungskondensatoren mit sehr niedrigen ESLs ersetzen zunehmend konventionelle Keramik-, Tantal- und Aluminiumkondensatoren. Tantal-Polymer-Kondensatoren und Aluminium-Polymer-Kondensatoren sind einige der neuen Lösungen für Entkopplungsanwendungen in Hochleistungsschaltungen. Diese Kondensatoren mit sehr niedriger Induktivität nehmen viel weniger Platz ein und die Herstellungskosten sind angemessen.

PARASITISCHE INDUKTION IN KERAMIKKONDENSATOREN
Keramikkondensatoren werden häufig in elektronischen Schaltungen für Entkopplungsanwendungen verwendet. Das Ersatzschaltbild eines typischen keramischen Mehrschichtkondensators besteht aus drei Elementen:dem Kondensator, dem Serienwiderstand und der parasitären Induktivität. Für Entkopplungsanwendungen in digitalen Hochgeschwindigkeitssystemen ist die Induktivität eines MLCC ein wichtiger Faktor. Dies liegt daran, dass die Welligkeitsspannung von der Induktivität abhängt. Die Stromschleife ist das wichtigste physikalische Merkmal, das die äquivalente Serieninduktivität bestimmt. ESL steigt mit zunehmender Größe der Stromschleife.

Bei Chipkondensatoren wird die äquivalente Serieninduktivität stark durch den Abstand zwischen den Anschlüssen bestimmt. Da Kondensatoren mit einer kleineren Stromschleife geringere Induktivitäten aufweisen, hilft eine Verringerung des Abstands zwischen den Anschlüssen eines Kondensators, die Größe der Stromschleife zu reduzieren. Die Verwendung entgegengesetzter Stromschleifen trägt dazu bei, die äquivalente Reiheninduktivität in oberflächenmontierten Kondensatoren weiter zu reduzieren. Durch die Optimierung der Architektur eines SMD-Kondensators kann eine erhebliche Reduzierung der Induktivität erreicht werden.

Bei Bypass-Kondensatoren hängt die Resonanzfrequenz von der parasitären Induktivität ab. Die Wirkung dieser parasitären Komponente tritt bei Hochfrequenzanwendungen häufiger auf. Daher ist es für Entwicklungsingenieure von entscheidender Bedeutung, die Induktivität von Kondensatoren für digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu messen.

In PCB-montierten Entkopplungskondensatoren wird die Induktivität hauptsächlich durch die Struktur der Montagepads bestimmt. Strom fließt durch die Schleife, die durch diese drei Elemente beschrieben wird:Kondensatorhöhe, Power-Plane-Spreizung und Pad-Layout. Da die Induktivität des Ersatzschaltkreises mit zunehmender Größe der Stromschleife zunimmt, wird sie minimiert, indem sichergestellt wird, dass die Strom- (Vdd) und Masse-(Gnd)-Durchkontaktierungen nahe beieinander liegen. Andere Möglichkeiten zur Minimierung der Induktivität sind die Auswahl eines geeigneten Pad-Layout-Designs und die Verwendung kürzerer Vias.

Kondensatoren mit hoher Kapazität neigen dazu, hohe ESLs zu haben und umgekehrt. Beim Entwerfen digitaler Schaltungen sollten Ingenieure sowohl die Kapazität als auch die äquivalente Serieninduktivität berücksichtigen. In elektronischen Hochgeschwindigkeitsschaltungen werden mehrschichtige Keramikkondensatoren mit niedriger Induktivität in der Nähe der Last platziert. Im Vergleich zu herkömmlichen Tantal- und Aluminiumkondensatoren haben MLCCs eine geringere äquivalente Serieninduktivität. Wenn der Platz kein Problem ist, können MLCCs parallel geschaltet werden, um eine sehr niedrige äquivalente Serieninduktivität bereitzustellen.

MLCC-Technologien bieten ein hohes Maß an Designflexibilität, um seine Selbstinduktivität durch verschiedene Designkonfigurationen und -lösungen zu unterdrücken. Bild rechts:Keramikkondensatoren mit niedriger Induktivität LICC. Quelle und Quelle des empfohlenen Bildes:AVX Corporation.

PARASITISCHE INDUKTION IN TANTALKONDENSATOREN
Tantalkondensatoren werden häufig in Anwendungen verwendet, die eine hohe Zuverlässigkeit und einen volumetrischen Wirkungsgrad erfordern. Genau wie andere Arten von Kondensatoren haben diese Kondensatoren parasitäre ESR und ESL. In Tantalkondensatoren fließen Leitungsströme durch Leiter endlicher Größe. Die parasitäre Induktivität von Tantal-Kondensatoren ist auf diese Leiter zurückzuführen. Der Kapazitätswert eines Tantalkondensators hat einen fast vernachlässigbaren Einfluss auf die parasitäre Induktivität. Außerdem bleibt die ESL eines Tantalkondensators im Gegensatz zum ESR über einen weiten Frequenzbereich ziemlich konstant. Bei Tantalkondensatoren wird die äquivalente Reiheninduktivität durch Verwendung von nach unten gerichteten Anschlüssen minimiert. Die Verwendung dieser Abschlüsse trägt dazu bei, die Schleifenfläche zu reduzieren, wodurch die parasitäre Induktivität reduziert wird.

Traditionell sind Tantalkondensatoren auf Niederfrequenzanwendungen beschränkt. Die beeindruckende Leistung von Tantal-Kondensatoren mit der Vorderseite nach unten (undertab) niedriger Induktivität hat neue Anwendungen für Tantal-Kondensatoren in Stromverteilungsnetzen (PDNs) geschaffen. Für Entkopplungsanwendungen in digitalen Hochleistungsschaltungen bieten Tantal-Polymer-Kondensatoren mit niedriger Induktivität eine bessere Leistung als herkömmliche Keramik- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Andere Eigenschaften, die Tantalkondensatoren mit niedriger Induktivität zu einer geeigneten Wahl für Hochleistungsschaltungen machen, sind ein niedriger ESR und eine mäßig hohe Kapazität.

Bildnachweis:Kemet T528; ein technisches Referenzpapier ist hier verfügbar.

PARASITISCHE INDUKTION IN ALUMINIUM-ELEKTROLYTISCHEN KONDENSATOREN
Entwickler elektronischer Schaltungen verwenden seit langem nasse Aluminium-Elektrolytkondensatoren für Massenentkopplungsanwendungen. Die relativ hohen ESL und ESR dieser Kondensatoren verlangsamen jedoch ihre Reaktion und verringern ihre Leistung. Aluminium-Polymer-Kondensatoren haben bessere Leistungsmerkmale und ersetzen zunehmend nasse Aluminiumkondensatoren in Massenentkopplungsanwendungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aluminiumkondensatoren verwenden diese neueren Kondensatoren ein leitfähiges Polymer als Elektrolyt. Darüber hinaus ermöglicht die Leistung von Ventilmetallkondensatoren die Verwendung von weniger Komponenten, wodurch Platz gespart und Kosten gesenkt werden.

In Computern und anderen digitalen Hochleistungsschaltungen werden Aluminium-Polymer-Kondensatoren und Tantal-Polymer-Kondensatoren für Massenentkopplungsanwendungen verwendet. Zusätzlich zu einem sehr niedrigen ESL haben diese Ventilmetallkondensatoren einen sehr niedrigen ESR, einen kleinen Platzbedarf, einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad und eine mäßig hohe Kapazität. Im Vergleich zu herkömmlichen Aluminiumkondensatoren sind Ventilmetallkondensatoren jedoch teurer in der Herstellung.

SCHLUSSFOLGERUNG
Kondensatoren sind grundlegende Elemente in den meisten digitalen Schaltungen. Entkopplungskondensatoren werden häufig in Hochgeschwindigkeitsspeicherchips und Mikroprozessoren verwendet. Während ein perfekter Kondensator in der Lage ist, seine gesamte gespeicherte Energie augenblicklich an eine Last zu übertragen, kann dies ein echter Kondensator nicht.

Die parasitären Komponenten in einem echten Kondensator verhindern die sofortige Übertragung der gespeicherten Energie auf eine Last. Als solches hat das Ersatzschaltbild eines realen Kondensators kapazitive, resistive und induktive Komponenten. Diese RLC-Komponenten werden allgemein als äquivalente Serienkapazität, äquivalenter Serienwiderstand und äquivalente Serieninduktivität bezeichnet.

Die Geschwindigkeit, mit der Energie auf eine Last übertragen wird, wird stark von der äquivalenten Serieninduktivität eines Kondensators bestimmt. Diese Geschwindigkeit nimmt mit abnehmender ESL zu. Heutige digitale Schaltungen haben höhere Schaltgeschwindigkeiten und erfordern Kondensatoren mit geringer Induktivität. Die Nachfrage nach Kondensatoren mit sehr geringen Induktivitäten wächst mit steigenden Schaltgeschwindigkeiten weiter.

Hersteller entwickeln die Herstellungstechnologie von Kondensatoren sukzessive weiter, um die von den heutigen Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen geforderte Leistung zu erfüllen.