Что на самом деле вызывает последовательную индуктивность конденсаторов?

Проведя некоторые исследования по выбору конденсаторов для высокочастотных применений, концепция эквивалентной последовательной индуктивности очень популярна. Очевидно, что все конденсаторы имеют эту паразитную индуктивность, которая появляется последовательно с емкостью компонента. Если ESL высокий, на высоких частотах это индуктивное реактивное сопротивление может даже нейтрализовать емкостное реактивное сопротивление, и крышка по существу действует как резистор, который блокирует постоянный ток.

Но почему ESL так важен? Конечно, у колпачков есть провода, но я бы предположил, что у остальной цепи гораздо больше проводов и, следовательно, гораздо более высокая паразитная индуктивность, что было бы гораздо большей проблемой, чем у коротких компонентных проводов. В противном случае колпачки - это просто пластины с диэлектриком между ними, так что же в них такого, что заставляет нас так беспокоиться о ESL?

Когда дело доходит до электролитических конденсаторов, я нашел одно объяснение: было объяснено, что, поскольку крышка в основном представляет собой длинный кусок фольги, определенно существует большая индуктивность, так как рулон фольги действует как катушка. Но я не думаю, что это вообще имеет смысл: это не похоже на то, как нынешние путешествия по фольге! Ток создает электрическое поле в одной фольге, которое снова создает ток в другой фольге. Но это поле появляется поперек фольги, а не вдоль нее, поэтому это объяснение не имеет смысла для меня.

Так может ли кто-нибудь объяснить мне это явление, предпочтительно в контексте как керамических, так и электролитических конденсаторов?

Отказ от ответственности: хотя я и ценю, что OP принял мой ответ, вместо (в настоящее время) ответа, получившего наибольшее количество голосов от Питера Смита, обязательно прочитайте его, так как он очень ясный и полезный. кликните сюда!

Керамические и электролитические колпачки имеют очень разные характеристики и используются для самых разных целей.

Керамические колпачки имеют очень низкий ESL, обычно несколько 100 pH, для относительно небольшой современной упаковки. Электролитическая крышка ESL намного больше, чем это.

Аналогичным образом емкость керамического колпачка намного ниже, чем у электролитического колпачка.

Эти два факта вместе взятые приводят к очень большой разнице в резонансной частоте цоколя. Электролитическая крышка резонирует с частотой 100 Гц, а хорошая керамика - с частотой несколько МГц.

Электролитические колпачки обычно используются, когда вы работаете с низкими частотами, такими как сглаживание источника питания или применение звука.

Керамика используется там, где вы не можете поставить под угрозу частотную характеристику, например, для высокочастотных фильтров или для фильтрации питания цифрового высокочастотного устройства, такого как микроконтроллер.

Как вы говорите, схема состоит из проводов, как правило, длиннее, чем кабельные выводы. Это правда, и именно поэтому керамический колпачок обычно располагается на расстоянии нескольких мм от точки, которую он должен фильтровать / подавать. Несколько мм на печатной плате, в зависимости от ширины дорожки, легко составляют несколько 100 pH индуктивности, поэтому вы удваиваете, что обеспечивает крышка.

На высоких частотах колпачок действует не как сопротивление, а как индуктор, и его сопротивление увеличивается с частотой.

Относительно того, откуда берется индуктивность, я не уверен, возможно ли получить интуитивно удовлетворительный ответ. Вы говорите, что ток не течет через фольгу, но это не так. Они имеют одинаковый потенциал, и ток не распространяется вдоль них только при постоянном токе. Что происходит на частоте 1 МГц? А 1 ГГц? Некоторый ток обязательно течет и через фольгу.

Керамика намного лучше, она построена как двойная расческа:

ссылка на источник

Таким образом, «самый длинный путь» намного короче, поэтому паразитная индуктивность намного ниже. Если вы посмотрите на ESL для керамики, вы обнаружите, что эта цифра зависит почти только от размера упаковки: чем меньше упаковка, тем ниже ESL.

Когда течет ток, по определению вокруг него создается магнитное поле. Это приводит к самоиндуктивности для любого проводника с переменным током.

Поскольку конденсатор имеет низкий импеданс при переменном токе (точная величина зависит от частоты, конечно), то реальный конденсатор выглядит следующим образом:

C1 - номинальный конденсатор, R1 - эквивалентное последовательное сопротивление , L1 - эквивалентная последовательная индуктивность, а R2 - сопротивление утечки.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Вы заметите, что у нас теперь есть последовательный резонансный контур с демпфированием; ниже собственного резонанса - емкостный, в резонансе - резистивный, а выше - индуктивный.

Значение ESL зависит как от материалов, так и от размера устройства; для устройства с обратной геометрией в корпусе для поверхностного монтажа 0204 оно может составлять до 300 pH; типичная керамика для поверхностного монтажа 0402 составляет около 680pH.

Для развязывающих и сцепляющих устройств это важно в мире высоких скоростей.

Давайте сделаем быстрый расчет. Если я отсоединяю устройство, которое имеет внутреннюю частоту переключения 200 пикосекунд (совсем не редкость и имеет частотные искажения на частоте 2,5 ГГц), и я использую устройство 0402 0,1 мкФ, то фактическое сопротивление составляет около 4,3 Ом, и оно индуктивно .

Вы прочитали это правильно; конденсатор теперь действует как индуктор.

Типичные ESL для поверхностного монтажа:

0402 680pH: 0603 около 900pH: 0805 около 1,2nH

Для сравнения, 1-дюймовый трек на 4 тыс. (Довольно распространенный) имеет индуктивность около 5 нГн. Это причина, по которой разъединяющие устройства должны быть так близко к фактическому разъему питания, который разъединяется. Устройство, которое находится на расстоянии всего лишь 1/2 дюйма на этих частотах, может также не существовать.

Индуктивность для трассировки печатной платы предполагает, что она находится над плоскостью; точное значение будет зависеть от расстояния до самолета (поскольку оно влияет на общий путь возврата и время прохождения туда и обратно). Я обнаружил, что приведенное выше значение является хорошей (консервативной) отправной точкой для проектирования печатных плат. Фактическая индуктивность особенно зависит от общего расстояния пути тока для контура.

Так в чем причина ESL? Физика.