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Efeitos de ESL no desempenho do capacitor


Capacitores são amplamente utilizados em circuitos eletrônicos para armazenamento e gerenciamento de energia. As aplicações típicas incluem filtragem, desacoplamento, armazenamento de energia e ajuste. Algumas aplicações, como desacoplamento, exigem baixa impedância, alta capacidade de corrente de ondulação e excelente desempenho de sobretensão. A indutância é um dos principais parâmetros a serem considerados ao selecionar um capacitor para circuitos digitais de alta velocidade.

Em teoria, os capacitores são comumente considerados componentes ideais. No entanto, os capacitores práticos não são ideais e contêm elementos parasitas que podem afetar significativamente seu desempenho. Essas características não ideais dependem principalmente dos materiais e métodos de construção. O modelo de circuito equivalente de um capacitor prático consiste em resistência em série equivalente (ESR), indutância em série equivalente (ESL) e resistência de isolamento. Os eletrodos e os condutores de um capacitor contribuem com o componente resistivo e o componente indutivo, enquanto o material dielétrico contribui com a resistência de isolamento.

ESR é um componente resistivo que faz com que alguma energia seja perdida na forma de calor. Por outro lado, o ESL causa o acúmulo de um campo magnético nos dispositivos. Esse acúmulo de campo magnético interfere em como a corrente sobe até o pico e diminui. Geralmente, a indutância parasita e a resistência interna são os principais problemas em circuitos digitais de alta velocidade. À medida que as velocidades de operação dos circuitos digitais aumentam, a demanda por capacitores com melhor desempenho e eficiência continua crescendo. Uma maneira de aumentar o desempenho do capacitor é reduzindo a indutância interna. Uma redução considerável da indutância é alcançada usando materiais corretos e técnicas de construção adequadas.

A necessidade de manter alto desempenho, miniaturizar o circuito e controlar os custos é o principal motivador para novos tipos de capacitores. Usando tecnologias avançadas, os fabricantes estão produzindo novos tipos de capacitores para atender aos requisitos de desempenho dos circuitos eletrônicos atuais. Capacitores de alto desempenho com ESLs muito baixos estão substituindo cada vez mais os capacitores convencionais de cerâmica, tântalo e alumínio. Capacitores de polímero de tântalo e capacitores de polímero de alumínio são algumas das novas soluções para aplicações de desacoplamento em circuitos de alto desempenho. Esses capacitores de indutância muito baixa ocupam muito menos espaço e o custo de produção é razoável.

INDUTÂNCIA PARASÍTICA EM CAPACITORES CERÂMICOS Capacitores cerâmicos são comumente usados ​​em circuitos eletrônicos para aplicações de desacoplamento. O modelo de circuito equivalente de um capacitor de cerâmica multicamada típico consiste em três elementos:o capacitor, a resistência em série e a indutância parasita. Para aplicações de desacoplamento em sistemas digitais de alta velocidade, a indutância de um MLCC é um fator importante. Isso ocorre porque a ondulação da tensão depende da indutância. O loop de corrente é a principal característica física que determina a indutância de série equivalente. ESL aumenta com um aumento no tamanho do loop atual.

Em capacitores de chip, a indutância em série equivalente é amplamente determinada pela distância entre as terminações. Como os capacitores com um loop de corrente menor têm indutâncias mais baixas, reduzir a distância entre as terminações de um capacitor ajuda a reduzir o tamanho do loop de corrente. O uso de loops de corrente opostos ajuda a reduzir ainda mais a indutância em série equivalente em capacitores de montagem em superfície. Uma redução significativa na indutância pode ser alcançada otimizando a arquitetura de um capacitor de montagem em superfície.

Em capacitores de desvio, a frequência de ressonância depende da indutância parasitária. O efeito deste componente parasita torna-se mais prevalente em aplicações de alta frequência. É, portanto, crítico para os engenheiros de projeto medir a indutância dos capacitores para circuitos digitais de alta velocidade.

Em capacitores de desacoplamento montados em PCB, a indutância é determinada principalmente pela estrutura da almofada de montagem. A corrente flui através do loop descrito por estes três elementos:altura do capacitor, espalhamento do plano de potência e layout do bloco. Como a indutância do circuito equivalente aumenta com o aumento no tamanho do loop de corrente, ela é minimizada garantindo que as vias de alimentação (Vdd) e terra (Gnd) estejam próximas uma da outra. Outras maneiras de minimizar a indutância incluem a seleção de um projeto de layout de almofada adequado e o uso de vias mais curtas.



Capacitores de alta capacitância tendem a ter altos ESLs e vice-versa. Ao projetar circuitos digitais, os engenheiros devem considerar a capacitância e a indutância em série equivalente. Em circuitos eletrônicos de alta velocidade, capacitores de cerâmica multicamadas de baixa indutância são colocados próximos à carga. Em comparação com os capacitores convencionais de tântalo e alumínio, os MLCCs têm indutância de série equivalente mais baixa. Se o espaço não for um problema, os MLCCs podem ser conectados em paralelo para fornecer indutância em série equivalente muito baixa.

As tecnologias MLCC estão fornecendo um grande nível de flexibilidade de design para suprimir sua auto-indutância por várias configurações de design e soluções. Imagem à direita:Capacitores de cerâmica de baixa indutância LICC. Fonte e crédito da imagem em destaque:AVX Corporation.

INDUTÂNCIA PARASÍTICA EM CAPACITORES DE TÂNTICO Capacitores de tântalo são comumente usados ​​em aplicações que exigem alta confiabilidade e eficiência volumétrica. Assim como outros tipos de capacitores, esses capacitores têm ESR e ESL parasitas. Nos capacitores de tântalo, as correntes de condução fluem através de condutores de tamanho finito. A indutância parasitária dos capacitores de tântalo é devida a esses condutores. O valor da capacitância de um capacitor de tântalo tem um efeito quase desprezível na indutância parasita. Além disso, ao contrário do ESR, o ESL de um capacitor de tântalo permanece razoavelmente constante em uma ampla faixa de frequência. Em capacitores de tântalo, a indutância em série equivalente é minimizada pelo uso de terminações voltadas para baixo. O uso dessas terminações ajuda a reduzir a área do loop, reduzindo assim a indutância parasitária.



Tradicionalmente, os capacitores de tântalo são limitados a aplicações de baixa frequência. O desempenho impressionante dos capacitores de tântalo de baixa indutância voltados para baixo (undertab) criou novas aplicações para os capacitores de tântalo em redes de distribuição de energia (PDNs). Para aplicações de desacoplamento em circuitos digitais de alto desempenho, os capacitores de polímero de tântalo de baixa indutância têm um desempenho melhor do que os capacitores eletrolíticos convencionais de cerâmica e alumínio. Outras características que tornam os capacitores de tântalo de baixa indutância uma escolha adequada para circuitos de alto desempenho incluem ESR baixo e capacitância moderadamente alta.

crédito da imagem:Kemet T528; o documento técnico de referência está disponível aqui.



INDUTÂNCIA PARASÍTICA EM CAPACITORES ELETROLÍTICOS DE ALUMÍNIO Por muito tempo, os projetistas de circuitos eletrônicos têm usado capacitores eletrolíticos de alumínio úmido para aplicações de desacoplamento em massa. No entanto, o ESL e ESR relativamente altos desses capacitores reduzem sua resposta e diminuem seu desempenho. Os condensadores de polímero de alumínio têm melhores características de desempenho e estão cada vez mais substituindo os condensadores de alumínio úmido em aplicações de desacoplamento em massa. Ao contrário dos capacitores de alumínio convencionais, esses capacitores mais novos usam um polímero condutor como eletrólito. Além disso, o desempenho dos capacitores de válvula de metal permite o uso de menos componentes, economizando espaço e custos.

Em computadores e outros circuitos digitais de alto desempenho, capacitores de polímero de alumínio e capacitores de polímero de tântalo são usados ​​para aplicações de desacoplamento em massa. Além de ESL muito baixo, esses capacitores de válvula de metal têm ESR muito baixo, pegada pequena, alta eficiência volumétrica e capacitância moderadamente alta. No entanto, em comparação com os capacitores de alumínio convencionais, os capacitores de válvula de metal são mais caros de produzir.

CONCLUSÃO
Capacitores são elementos fundamentais na maioria dos circuitos digitais. Capacitores de desacoplamento são amplamente usados ​​em chips de memória de alta velocidade e microprocessadores. Enquanto um capacitor perfeito é capaz de transferir instantaneamente toda a sua energia armazenada para uma carga, um capacitor real não pode.

Os componentes parasitas em um capacitor real impedem a transferência instantânea de energia armazenada para uma carga. Como tal, o modelo de circuito equivalente de um capacitor real tem componentes capacitivos, resistivos e indutivos. Esses componentes RLC são comumente chamados de capacitância série equivalente, resistência série equivalente e indutância série equivalente.

A velocidade na qual a energia é transferida para uma carga é amplamente determinada pela indutância série equivalente de um capacitor. Essa velocidade aumenta com a diminuição do ESL. Os circuitos digitais de hoje têm velocidades de comutação mais altas e demandam capacitores de baixa indutância. A demanda por capacitores com indutâncias muito baixas continua a crescer à medida que as velocidades de chaveamento aumentam.

Os fabricantes estão avançando progressivamente na tecnologia de fabricação de capacitores para atender ao desempenho exigido pelos atuais circuitos digitais de alta velocidade.

Tecnologia da Internet das Coisas

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