Efectos del ESL en el rendimiento del condensador

Los condensadores se utilizan ampliamente en circuitos electrónicos para almacenar y gestionar energía. Las aplicaciones típicas incluyen filtrado, desacoplamiento, almacenamiento de energía y ajuste. Algunas aplicaciones, como el desacoplamiento, exigen una impedancia baja, una capacidad de corriente de ondulación alta y un rendimiento de sobretensión excelente. La inductancia es uno de los parámetros clave a considerar al seleccionar un capacitor para circuitos digitales de alta velocidad.

En teoría, los condensadores se consideran comúnmente componentes ideales. Sin embargo, los capacitores prácticos no son ideales y contienen elementos parásitos que pueden afectar significativamente su rendimiento. Estas características no ideales dependen principalmente de los materiales y los métodos de construcción. El modelo de circuito equivalente de un capacitor práctico consta de resistencia en serie equivalente (ESR), inductancia en serie equivalente (ESL) y resistencia de aislamiento. Los electrodos y los cables de un condensador contribuyen con el componente resistivo y el componente inductivo, mientras que el material dieléctrico contribuye con la resistencia de aislamiento.

La ESR es un componente resistivo que hace que se pierda algo de energía en forma de calor. Por otro lado, ESL hace que se acumule un campo magnético en los dispositivos. Esta acumulación de campo magnético interfiere con la forma en que la corriente sube al pico y retrocede. Generalmente, la inductancia parásita y la resistencia interna son problemas importantes en los circuitos digitales de alta velocidad. A medida que aumentan las velocidades de operación de los circuitos digitales, la demanda de capacitores con mejor desempeño y eficiencia continúa creciendo. Una forma de mejorar el rendimiento del condensador es reduciendo la inductancia interna. Se logra una reducción considerable de la inductancia mediante el uso de materiales correctos y técnicas de construcción adecuadas.

La necesidad de mantener un alto rendimiento, miniaturizar el circuito y controlar el costo es el principal impulsor de los nuevos tipos de condensadores. Utilizando tecnologías avanzadas, los fabricantes están produciendo nuevos tipos de condensadores para cumplir con los requisitos de rendimiento de los circuitos electrónicos actuales. Los condensadores de alto rendimiento con ESL muy bajos están reemplazando cada vez más a los condensadores convencionales de cerámica, tantalio y aluminio. Los condensadores de polímero de tantalio y los condensadores de polímero de aluminio son algunas de las nuevas soluciones para aplicaciones de desacoplamiento en circuitos de alto rendimiento. Estos condensadores de muy baja inductancia ocupan mucho menos espacio y el costo de producción es razonable.

INDUCTANCIA PARÁSICA EN CONDENSADORES CERÁMICOS
Los condensadores cerámicos se utilizan comúnmente en circuitos electrónicos para aplicaciones de desacoplamiento. El modelo de circuito equivalente de un condensador cerámico multicapa típico consta de tres elementos:el condensador, la resistencia en serie y la inductancia parásita. Para aplicaciones de desacoplamiento en sistemas digitales de alta velocidad, la inductancia de un MLCC es un factor importante. Esto se debe a que el voltaje de ondulación depende de la inductancia. El bucle de corriente es la característica física clave que determina la inductancia en serie equivalente. ESL aumenta con un aumento en el tamaño del bucle actual.

En los condensadores de chip, la inductancia en serie equivalente está determinada en gran medida por la distancia entre las terminaciones. Dado que los condensadores con un bucle de corriente más pequeño tienen inductancias más bajas, reducir la distancia entre las terminaciones de un condensador ayuda a reducir el tamaño del bucle de corriente. El uso de bucles de corriente opuestos ayuda a reducir aún más la inductancia en serie equivalente en los condensadores de montaje en superficie. Se puede lograr una reducción significativa de la inductancia optimizando la arquitectura de un condensador de montaje en superficie.

En los condensadores de derivación, la frecuencia de resonancia depende de la inductancia parásita. El efecto de este componente parásito se vuelve más frecuente en aplicaciones de alta frecuencia. Por lo tanto, es fundamental que los ingenieros de diseño midan la inductancia de los condensadores para circuitos digitales de alta velocidad.

En los condensadores de desacoplamiento montados en PCB, la inductancia está determinada principalmente por la estructura de la placa de montaje. La corriente fluye a través del bucle descrito por estos tres elementos:altura del capacitor, expansión del plano de potencia y disposición de la almohadilla. Dado que la inductancia del circuito equivalente aumenta con un aumento en el tamaño del bucle de corriente, se minimiza asegurándose de que las vías de potencia (Vdd) y tierra (Gnd) estén cerca una de la otra. Otras formas de minimizar la inductancia incluyen seleccionar un diseño de diseño de almohadilla adecuado y usar vías más cortas.

Los capacitores de alta capacitancia tienden a tener ESL altos y viceversa. Al diseñar circuitos digitales, los ingenieros deben considerar tanto la capacitancia como la inductancia en serie equivalente. En los circuitos electrónicos de alta velocidad, los condensadores cerámicos multicapa de baja inductancia se colocan cerca de la carga. En comparación con los condensadores convencionales de tantalio y aluminio, los MLCC tienen una inductancia en serie equivalente más baja. Si el espacio no es un problema, los MLCC se pueden conectar en paralelo para proporcionar una inductancia en serie equivalente muy baja.

Las tecnologías MLCC brindan un gran nivel de flexibilidad de diseño para suprimir su autoinducción mediante varias configuraciones y soluciones de diseño. Imagen derecha:Condensadores cerámicos de baja inductancia LICC. Fuente y crédito de la imagen destacada:AVX Corporation.

INDUCTANCIA PARÁSICA EN CONDENSADORES DE TANTALO
Los capacitores de tantalio se usan comúnmente en aplicaciones que exigen alta confiabilidad y eficiencia volumétrica. Al igual que otros tipos de condensadores, estos condensadores tienen ESR y ESL parásitos. En los condensadores de tantalio, las corrientes de conducción fluyen a través de conductores de tamaño finito. La inductancia parásita de los condensadores de tantalio se debe a estos conductores. El valor de capacitancia de un capacitor de tantalio tiene un efecto casi insignificante sobre la inductancia parásita. Además, a diferencia de la ESR, la ESL de un condensador de tantalio permanece bastante constante en un amplio rango de frecuencia. En los condensadores de tantalio, la inductancia en serie equivalente se minimiza mediante el uso de terminaciones boca abajo. El uso de estas terminaciones ayuda a reducir el área del bucle, reduciendo así la inductancia parásita.

Tradicionalmente, los condensadores de tantalio se limitan a aplicaciones de baja frecuencia. El impresionante rendimiento de los condensadores de tantalio de baja inductancia boca abajo (subterraneos) ha creado nuevas aplicaciones para los condensadores de tantalio en redes de distribución de energía (PDN). Para aplicaciones de desacoplamiento en circuitos digitales de alto rendimiento, los condensadores de polímero de tantalio de baja inductancia funcionan mejor que los condensadores electrolíticos de cerámica y aluminio convencionales. Otras características que hacen que los capacitores de tantalio de baja inductancia sean una opción adecuada para circuitos de alto rendimiento incluyen una ESR baja y una capacitancia moderadamente alta.

crédito de imagen:Kemet T528; El documento técnico de referencia está disponible aquí.

INDUCTANCIA PARÁSICA EN CONDENSADORES ELECTROLÍTICOS DE ALUMINIO
Durante mucho tiempo, los diseñadores de circuitos electrónicos han utilizado condensadores electrolíticos de aluminio húmedo para aplicaciones de desacoplamiento a granel. Sin embargo, el ESL y ESR relativamente altos de estos condensadores ralentizan su respuesta y reducen su rendimiento. Los condensadores de polímero de aluminio tienen mejores características de rendimiento y están reemplazando cada vez más a los condensadores de aluminio húmedo en aplicaciones de desacoplamiento a granel. A diferencia de los condensadores de aluminio convencionales, estos nuevos condensadores utilizan un polímero conductor como electrolito. Además, el rendimiento de los condensadores de válvulas metálicas permite el uso de menos componentes, lo que ahorra espacio y reduce los costos.

En computadoras y otros circuitos digitales de alto rendimiento, los condensadores de polímero de aluminio y los condensadores de polímero de tantalio se utilizan para aplicaciones de desacoplamiento a granel. Además de un ESL muy bajo, estos condensadores de metal de válvula tienen un ESR muy bajo, tamaño reducido, alta eficiencia volumétrica y capacitancia moderadamente alta. Sin embargo, en comparación con los condensadores de aluminio convencionales, los condensadores de válvulas metálicas son más caros de producir.

CONCLUSIÓN
Los condensadores son elementos fundamentales en la mayoría de los circuitos digitales. Los condensadores de desacoplamiento se utilizan ampliamente en microprocesadores y chips de memoria de alta velocidad. Mientras que un capacitor perfecto es capaz de transferir toda su energía almacenada a una carga instantáneamente, un capacitor real no puede.

Los componentes parásitos de un condensador real evitan la transferencia instantánea de energía almacenada a una carga. Como tal, el modelo de circuito equivalente de un capacitor real tiene componentes capacitivos, resistivos e inductivos. Estos componentes RLC se conocen comúnmente como capacitancia en serie equivalente, resistencia en serie equivalente e inductancia en serie equivalente.

La velocidad a la que se transfiere la energía a una carga está determinada en gran medida por la inductancia en serie equivalente de un condensador. Esta velocidad aumenta con una disminución de ESL. Los circuitos digitales actuales tienen velocidades de conmutación más altas y exigen condensadores de baja inductancia. La demanda de condensadores con inductancias muy bajas sigue creciendo a medida que aumentan las velocidades de conmutación.

Los fabricantes están avanzando progresivamente en la tecnología de fabricación de condensadores para cumplir con el rendimiento que exigen los circuitos digitales de alta velocidad actuales.