ИЗТОЧНИК НА ЕЛЕКТРОННИ КОМПОНЕНТИ С УВЕРЕНИЕОторизирано снабдяване с интегрални схеми (ICs), IGBT модули, транзистори, диоди и пасивни компоненти — подкрепени от реални запаси и опит в снабдяването.: Подпомагане на инженери и купувачи с надеждни източници и отзивчиви котировки.ЗАЯВКА ЗА КОМПОНЕНТИ

Обяснение на импеданса на MLCC и собствената резонансна честота (SRF)

Aug25

Разгледайте: 928

MLCC не се държат като идеални кондензатори при всяка честота. Неговият импеданс се променя, защото капацитетът, еквивалентното серийно съпротивление (ESR) и еквивалентната серийна индуктивност (ESL) взаимодействат, създавайки собствена резонансна честота, при която импедансът достига минималната си стойност. Тази статия обяснява как се променя импедансът на MLCC под, на и над резонанса, и как стойността на капацитета, размерите на пакета, типът диелектрик и монтажът на PCB влияят на високочестотното поведение. Ще научите и как да четете кривите на импеданса и SRF от производителите, за да можете да изберете правилния MLCC за филтриране, декуплиране, RF и други приложения с висока честота.

Каталог

1. Какво е импеданс на MLCC и защо се променя с честотата

2. Капацитет, ESR и ESL в еквивалентната схема на MLCC

3. Формула за собствена резонансна честота на MLCC и честотни области

4. Въздействия на стойността на капацитета и размера на пакета върху SRF

5. Вид диелектрик, ESR и загуби при високи честоти

6. PCB подложки, трасета, vias и резонанс в схемата

7. Четене на криви на импеданса и SRF на MLCC за избор на кондензатори

MLCC Impedance and Self-Resonant Frequency

Фигура 1. Импеданс на MLCC и собствена резонансна честота

Какво е импеданс на MLCC и защо се променя с честотата?

Импедансът на MLCC е съпротивлението, което многослоен керамичен кондензатор предлага на променлив ток, и стойността му се променя с честотата. За разлика от идеалния кондензатор, реалният MLCC съдържа капацитет, заедно с електрически загуби и паралелна индуктивност. Тези характеристики определят колко кондензаторът може да противостои на AC ток при определена честота.

Тъй като тези ефекти реагират по различен начин на честотата, MLCC не притежава една фиксирана стойност на импеданса. Неговият импедансно-честотен характер зависи от фактори като стойността на капацитета, ESR, ESL, тип диелектрик, размер на пакета, конструкция на електродите и работна честота. _[1],[2]

Кривата на импеданса, предоставена от производителя, следователно е по-полезна за високочестотен дизайн, отколкото само номиналният капацитет. Тя показва как действителният компонент се държи в зависимост от честотата и помага да се определи дали кондензаторът предоставя достатъчно нисък импеданс при честотата, която е важна в схемата.

За декуплиране, филтриране и други приложения с висока честота, изберете MLCC, като проверите импеданса при целевата честота, заедно с ESR, ESL, капацитет, размер на пакета и условията за измерване, посочени от производителя. Подробното поведение под SRF, на SRF и над SRF е разгледано отделно в секцията за собствена резонансна честота.

Капацитет, ESR и ESL в еквивалентната схема на MLCC

Capacitance, ESR, and MLCC Internal ESL in the Equivalent Circuit

Фигура 2. Капацитет, ESR и вътрешна ESL на MLCC в еквивалентната схема

Практическата първоначална модел на MLCC се състои от капацитет (C), еквивалентно серийно съпротивление (ESR) и еквивалентна серийна индуктивност (ESL), свързани последователно. Murata и TDK и двата използват този тип модел, за да обяснят как се променя импедансът на кондензатора с честотата. _[1],[2]

При относително ниски честоти, капацитетът оказва най-силно влияние върху импеданса. С увеличаването на честотата, капацитивното противопоставяне става по-малко, така че импедансът на MLCC намалява. При по-високи честоти, ефектът на ESL става по-силен, причинявайки увеличаване на индуктивния принос. В близост до саморезонансната честота, капацитивните и индуктивните ефекти стават приблизително равни и в значителна степен се анулират, произвеждайки най-ниската зона на импеданса на кривата.

Елемент на еквивалентна верига	Какво представлява	Основен честотен ефект
Капацитет, C	Предвидено поведение за съхранение на заряд	Причинява падане на импеданса с увеличаване на честотата под резонанс
ESR	Загуби, свързани с диелектрика, електроди, терминали и други резистивни ефекти	Допринася за импеданса в целия честотен диапазон и силно влияе на минималния импеданс
ESL	Паралитична индуктивност на електродите, терминалите и вътрешните пътища на ток	Причинява увеличение на импеданса в областта на индуктивността при високи честоти

Важно е да не се описва ESR като съществуващо само близо до SRF. ESR допринася през цялата крива на импеданса и може да се променя с честотата. Murata обяснява, че диелектричната загуба влияе на ESR в капацитивната област, докато електродната устойчивост, ефектът на кожата, ефектът на близост, геометрията на електродите и други загуби стават все по-важни при по-високи честоти. _[1]

Простият модел C-ESR-ESL е полезен за разбиране на основната тенденция на импеданса, но действителният MLCC може да прояви по-сложно поведение при много високи честоти. За проектна работа, измерените или моделирани данни за импеданса на производителя за точния номер на частта са по-надеждни от оценяването на производителността само на базата на номинален капацитет, ESR и ESL.

Формула за саморезонансна честота на MLCC и честотни области

Саморезонансната честота (SRF) на MLCC е честотата, при която капацитивните и индуктивните ефекти приблизително се балансират в опростения модел на компонента. В този момент импедансът на кондензатора достига своя минимум. Murata определя минималната точка на кривата на импеданса-честота като саморезонансна честота. _[1]

Опростен серийния модел представя MLCC, използвайки капацитет (C), еквивалентна серийна съпротива (ESR) и еквивалентна серийна индуктивност (ESL). Неговият зависим от честотата импеданс може да се приближи до:

Z(f) ≈ ESR + j[2πfESL − 1/(2πfC)]

Съответстващата величина на импеданса е:

|Z| ≈ √{ESR² + [2πfESL − 1/(2πfC)]²}

Приблизителната саморезонансна честота е:

fSRF ≈ 1/[2π√(ESL·C)]

Тук, ESR е в ома (Ω), C е в фаради (F), ESL е в хенри (H), а f е в херци (Hz). Този модел на първи ред RLC в серия представлява самостоятелния MLCC и изключва паразитите от PCB трасета, падове и отвори.

Тези взаимоотношения показват защо капацитетът и ESL силно влияят на SRF. Когато ESL остава приблизително равен, увеличаването на капацитета обикновено движи SRF надолу, докато намаляването на капацитета обикновено го повишава. Намаляването на ESL обикновено е свързано с пренасочване на SRF към по-висока честота.

Тук, ESL се отнася до собствената еквивалентна серийна индуктивност на кондензатора. PCB падове, трасета, отвори и геометрията на контура на тока добавят допълнителна индуктивност след монтаж на MLCC и могат да променят неговото поведение при високи честоти в схемата.

Тези формули са опростени приближения. Действителните SRF и импеданс също зависят от конструкцията на кондензатора, геометрията на електродите, ESR, размер на опаковката, параметри, зависими от честотата, и други паразитни ефекти. За точно подбиране, проверете кривата на импеданса-честота на производителя за точния номер на частта. _[1]

Под SRF

Под SRF, капацитетът е доминиращият ефект. С увеличаването на честотата, импедансът на MLCC обикновено намалява. Компонентът следователно се държи основно като кондензатор в тази зона. _[1]

ESR и ESL все още присъстват, така че MLCC не е идеален кондензатор. Кондензаторите с по-висок капацитет обикновено предоставят по-нисък импеданс при по-ниски честоти, което ги прави полезни за декуплиране и филтриране в тази зона.

При SRF

При или близо до SRF, капацитивните и индуктивните ефекти приблизително се анулират. MLCC достига своя минимум на импеданса, с ESR, който силно влияе на това колко нисък става този минимум в опростения модел. [1]

SRF не означава, че MLCC внезапно губи капацитета си. Вместо това, той маркира прехода между предимно капацитивно и предимно индуктивно поведение. В близост до резонанса, капацитетът сам по себе си вече не е достатъчен, за да опише импеданса на компонента. _[3]

Над SRF

Над SRF, MLCC показва индуктивно съпротивление, което обикновено се увеличава с честотата. То все пак може да допринася за мрежа с ниско съпротивление, но не трябва да се третира като обикновено капацитивно декуплиране. Проверете амплитудата на съпротивлението, фазата и отговора на монтираната мрежа на целевата честота. _[1],[2]

MLCC не е автоматично неизползваем над своя SRF. Важният въпрос е дали неговото реално съпротивление при работната или шумовата честота е достатъчно ниско за изискванията на схемата.

Честотен регион	Доминиращ ефект	Тенденция на съпротивлението	Практическо поведение
Под SRF	Капацитет	Намалява с увеличаване на честотата	Главно капацитивно
При SRF	Капацитивните и индуктивните ефекти се балансират	Постига минимум	ESR силно влияе на минималното съпротивление
Над SRF	ESL	Увеличава се с увеличаване на честотата	Все по-индуктивно

За селекция на MLCC за високи честоти, не разчитайте само на SRF. Сравнете реалното съпротивление на кондензатора, ESR и честотния отговор при интересуващата ви честота, и вземете предвид индуктивността при монтаж на PCB, когато оценявате поведението му във финалната схема.

Ефекти на стойността на капацитета и размера на пакета върху SRF

Capacitance Value and Package Size on SRF

Фигура 3. Стойност на капацитета и размер на пакета върху SRF

SRF на MLCC зависи главно от взаимоотношението между ефективния капацитет и еквивалентната серийна индуктивност (ESL), но нито стойността на капацитета, нито размерът на пакета трябва да се разглеждат изолирано.

Обикновено, по-високият капацитет има тенденция да произвежда по-нисък SRF, когато ESL остава сходна, докато по-ниският капацитет има тенденция да произвежда по-висок SRF, когато другите параметри са сравними. Намаляването на ESL може също да премести резонанса на по-висока честота и да подобри поведението на съпротивлението при високи честоти. _[1]

Фактор	Типичен ефект
По-висок капацитет, подобен ESL	Тенденция да намалява SRF
По-нисък капацитет, подобен ESL	Тенденция да повишава SRF
По-нисък ESL	Тенденция да повишава SRF и да намалява съпротивлението в индуктивната област
По-кратък, по-широк електрод/път на тока	Може да намали ESL
Обратна геометрия	Намалява дължината на пътя на тока и ESL
По-малък пакет, същият капацитет и сравнима конструкция	Често намалява ESL и повишава SRF
Размерът на пакета сам по себе си	Не определя уникално SRF

Murata показва, че, за MLCC с еднакъв капацитет в сравнителни конструкции, по-малките размери на корпуса могат да покажат по-нисък ESL и по-висок SRF. Murata също обяснява, че по-кратките и по-широките вътрешни електродни структури намаляват ESL. Това е полезна дизайнерска тенденция, но не трябва да се третира като универсално правило за всяко семейство и конструкция на MLCC. _[1] За стандартни размери на пакета и кодове за размери от EIA до метрични, вижте таблицата за размери на MLCC от 01005 до 2220.

Кондензаторите с обратна геометрия целенасочено използват този принцип. TDK обяснява, че по-широкият и по-кратък път на тока намалява ESL, докато третерминални структури могат да намалят ESL още повече, като съкратят пътя между проводника на захранването и земята. [5] За повече подробности относно избора на пакети и структури на кондензатори за по-ниска индуктивност, вижте ръководството за избор на MLCC с нисък ESL.

Свързването на няколко стойности на капацитета паралелно също не гарантира по-ниско съпротивление в целия честотен диапазон. Кондензатори с различни резонанси могат да взаимодействат с паразитна индуктивност и да създадат антирезонансни пикове на съпротивлението. TDK и Murata и двамата описват този ефект. _[4][9]

По тази причина изберете MLCC, като сравните действителните данни на производителя за съпротивление-честота за точните номера на частите и, когато се използват няколко кондензатора заедно, оценете съпротивлението на цялата мрежа.

Тип на диелектрика, ESR и загуби при високи честоти

Диелектричната система на MLCC влияе на диелектричните загуби, стабилността на капацитета, фактора Q, ефективния капацитет и ESR, но типът диелектрик не е единственият фактор, контролиращ представянето при високи честоти.

C0G/NP0 кондензатори са диелектри клас I, докато кондензаторите X5R и X7R са диелектри клас II. TDK отбелязва, че материалите от клас I осигуряват стабилна капацитивност и ниски загуби, докато материалите от клас II предлагат по-висока капацитивна плътност, но с по-голяма зависимост от температурата и приложеното напрежение. _[3]

Характеристика	C0G / NP0	X7R / X5R
Клас на диелектрика	Клас I	Клас II
Загуба на диелектричен	Много ниска	Обикновено по-висока и частично зависима
Q фактор	Обикновено висок	Обикновено по-нисък
Зависимост от напрежение	Много малка	Може да бъде значителна
Температурна стабилност	Много висока	По-ниска от C0G
Плътност на капацитивност	По-ниска	Много по-висока
Общи приложения	RF, резонантни, настройка, съвпадение, прецизност	Декуплиране, заобикалящи, изглаждане, обща керамична капацитивност

Murata обяснява, че материалите с висока диелектрична константа от клас II имат тенденция да имат по-висок ESR в капацитивния регион, тъй като използват фероеlectric материали, докато температурно-компенсиращите материали от клас I използват параелектрични керамики с много по-ниски загуби на диелектрик. Murata също посочва, че ESR около резонанс и при по-високи честоти зависи от устойчивостта на електродите, размерите на електродите, броя на слоевете, кожния ефект и ефекта на близостта. [1]

Q също е свързан със загубата на кондензатора. TDK дефинира Q като реципрочна стойност на фактора на дисипация (tan δ), така че по-висок Q показва по-ниски загуби. _[3]

Тези характеристики правят кондензаторите от клас I с ниски загуби особено полезни в резонантни и високочестотни вериги. TDK конкретно идентифицира C0G MLCC от клас I като подходящи за резонантни кондензатори, тъй като техният нисък ESR намалява загубата на мощност. Семействата с висок Q на Murata също са проектирани за резонантни, настройващи и импедансно-съвпадащи вериги. _[7],[8]

X5R и X7R предоставят значително повече капацитет за даден размер, но техният ефективен капацитет може да намалее под DC bias. Murata потвърджава, че MLCC от тип C0G с параелектрични характеристики показват малки изменения в капацитета, свързани с напрежението, докато продуктите с висока диелектрична константа X5R/X7R могат да покажат много по-голяма зависимост от напрежението. _[6]

Следователно, само обозначението на диелектрика не трябва никога да се използва за предсказване на точния ESR, SRF или импеданс на частта. Проверете специфичните данни на производителя за импеданс, ESR, ефективен капацитет, напрежение и честота.

PCB Позиции, Пътища, Вия и Резонанс в Циркула

SRF на компонента описва резонанса, свързан с самия MLCC при предварително дефинирани условия на измерване или моделиране от производителя. След като кондензаторът е монтиран на PCB, електрическият път също съдържа индуктивност от позициите, пътищата, върховете, свързванията на захранването, свързванията на земята и геометрията на целия текущ контур.

Murata обяснява, че общата индуктивност на декуплиращия контур включва собствената ESL на MLCC plus индуктивността на шаблоните на PCB и върховете, свързващи кондензатора с натоварването. При високи честоти, тази индуктивност на окабеляването може да стане основна част от общия импеданс. _[4]

Елемент на PCB	Високочестотен ефект
Позиции и кратки връзки	Спомагат за индуктивността на монтажа
Дълги пътища	Увеличават индуктивността на свързването
Тесни пътища	Обикновено увеличават индуктивността на окабеляването в сравнение с по-широки пътеки
Вия	Добавят индуктивност между кондензатора и вътрешните плоскости
Голямо текущо контурно поле	Увеличава индуктивността на контура
Плоскости за захранване и земя	Стават част от цялостната импедансна мрежа

Murata препоръчва да се съкратят и разширят пътят на свързване на кондензатора, да се постави кондензаторът близо до натоварването, да се намали площта на текущия контур и да се позиционират върховете, за да се минимизира общата индуктивност на контура. Murata специфично обяснява, че индуктивността на окабеляването включва шаблоните на PCB и върховете между IC на натоварването и декуплиращия кондензатор. _[4]

TDK по същия начин показва, че шаблоните за земя и върховете могат да ограничат производителността на кондензаторите с много нисък ESL. За своите трите терминални филтри, TDK препоръчва множество заземяващи върхове и кратки пътя на върха, за да намали паразитните ефекти. [5] Тези аспектите на оформлението стават особено важни за веригите за захранване с висока ток. За фокусиран пример, вижте MLCC декуплиране и ниско-ESL дизайн за захранващи шинни на AI сервъри.

Техническият лист SRF характеризира самостоятелния MLCC при условия на измерване или моделиране от производителя. След монтажа, подложките, трасетата, чрез, плоскостите, пътеките на устройството и геометрията на веригата добавят индуктивност и могат да създадат различен резонанс в схемата. Оценявайте монтираната мрежа, вместо да разглеждате паразитните елементи на PCB като промяна в зададения SRF на компонента.

Четене на кривите на импеданса на MLCC и SRF за избор на кондензатори

Кривата на импеданс спрямо честота на производителя трябва да се чете за точния номер на частта MLCC, тъй като продуктите с подобна капацитет, рейтинг на напрежение и размер на пакета могат да имат различни ESR, ESL и собствени резонансни честоти.

Започнете с работната, превключващата, хармонична или шумова честота, която кондензаторът трябва да контролира. Намерете тази честота по хоризонталната ос и прочетете величината на импеданса, |Z|. Сравнявайте кандидатските части на една и съща честота, а не избирайте най-високата номинална капацитетност или SRF. _[1]

След това намерете минималната точка на кривата на импеданса. Тази точка показва приблизителния SRF, където капацитивните и индуктивните реакции основно се компенсират и ESR силно влияе на минималния импеданс. Ако е налична фаза, проверете къде фазата преминава през приблизително 0°. Под тази трансформация MLCC е предимно капацитивен; над нея MLCC е предимно индуктивен. MLCC не е автоматично неизползваем над SRF, но действителният му импеданс и фаза трябва да отговарят на изискванията на схемата.

Преди да сравните кривите, потвърдете заявената температура, DC наклон и ниво на AC измерване. Прилагането на DC напрежение може да намали ефективността на капацитета на X5R и X7R MLCC, премествайки техните криви на импеданса и SRFs. Крива на малък сигнал, измерена при 0 V DC наклон, може да не представлява работа при действителното напрежение или рипъл условия в схемата. Също така определете дали публикуваната крива съдържа измерени, симулирани, изчислени или типични данни. _{[3], [6]}

Използвайте криви, получени при сравними условия, когато е възможно. Разликите в монтажните принадлежности, референтната равнина и други монтажни различия могат да повлияят на измерванията при високи честоти. След като MLCC бъде монтиран, PCB подложките, трасетата, чрез, плоскостите и геометрията на тока добавят индуктивност и могат да произведат резонанс в схемата, различен от самостоятелния SRF на компонента. Следователно окончателният избор трябва да отговаря на необходимия импеданс при целевите честоти под действителните електрически и монтажни условия на схемата. _[4],[5]