커패시터 성능에 대한 ESL의 영향

커패시터는 에너지 저장 및 관리를 위한 전자 회로에 널리 사용됩니다. 일반적인 애플리케이션에는 필터링, 디커플링, 에너지 저장 및 튜닝이 포함됩니다. 디커플링과 같은 일부 애플리케이션은 낮은 임피던스, 높은 리플 전류 성능 및 우수한 서지 성능을 요구합니다. 인덕턴스는 고속 디지털 회로용 커패시터를 선택할 때 고려해야 할 주요 매개변수 중 하나입니다.

이론적으로 커패시터는 일반적으로 이상적인 구성 요소로 간주됩니다. 그러나 실제 커패시터는 이상적이지 않으며 성능에 상당한 영향을 줄 수 있는 기생 요소를 포함합니다. 이러한 비이상적인 특성은 주로 재료 및 시공 방법에 따라 다릅니다. 실제 커패시터의 등가 회로 모델은 등가 직렬 저항(ESR), 등가 직렬 인덕턴스(ESL) 및 절연 저항으로 구성됩니다. 커패시터의 전극과 리드는 저항 성분과 유도 성분에 기여하고 유전체 물질은 절연 저항에 기여합니다.

ESR은 일부 에너지가 열의 형태로 손실되도록 하는 저항성 구성 요소입니다. 반면에 ESL은 장치에 자기장을 생성합니다. 자기장의 이러한 축적은 전류가 피크까지 상승했다가 다시 떨어지는 방식을 방해합니다. 일반적으로 기생 인덕턴스와 내부 저항은 고속 디지털 회로에서 주요 문제입니다. 디지털 회로의 동작 속도가 증가함에 따라 더 나은 성능과 효율성을 갖춘 커패시터에 대한 수요가 계속 증가하고 있습니다. 커패시터 성능을 향상시키는 한 가지 방법은 내부 인덕턴스를 줄이는 것입니다. 올바른 재료와 적절한 구성 기술을 사용하면 상당한 인덕턴스 감소가 달성됩니다.

고성능을 유지하고 회로를 소형화하고 비용을 제어해야 하는 필요성은 새로운 유형의 커패시터를 향한 주요 동인입니다. 제조업체는 첨단 기술을 사용하여 오늘날 전자 회로의 성능 요구 사항을 충족하는 새로운 유형의 커패시터를 생산하고 있습니다. ESL이 매우 낮은 고성능 커패시터가 점점 더 기존의 세라믹, 탄탈륨 및 알루미늄 커패시터를 대체하고 있습니다. 탄탈륨 폴리머 커패시터와 알루미늄 폴리머 커패시터는 고성능 회로의 디커플링 애플리케이션을 위한 새로운 솔루션 중 일부입니다. 이 매우 낮은 인덕턴스 커패시터는 훨씬 적은 공간을 차지하며 생산 비용도 합리적입니다.

세라믹 커패시터의 기생 인덕턴스
세라믹 커패시터는 일반적으로 디커플링 애플리케이션을 위한 전자 회로에 사용됩니다. 일반적인 적층 세라믹 커패시터의 등가 회로 모델은 커패시터, 직렬 저항 및 기생 인덕턴스의 세 가지 요소로 구성됩니다. 고속 디지털 시스템의 디커플링 애플리케이션의 경우 MLCC의 인덕턴스가 중요한 요소입니다. 리플 전압이 인덕턴스에 의존하기 때문입니다. 전류 루프는 등가 직렬 인덕턴스를 결정하는 주요 물리적 특성입니다. ESL은 전류 루프의 크기가 증가함에 따라 증가합니다.

칩 커패시터에서 등가 직렬 인덕턴스는 종단 간의 거리에 따라 크게 결정됩니다. 전류 루프가 작은 커패시터는 인덕턴스가 낮기 때문에 커패시터 종단 간의 거리를 줄이면 전류 루프의 크기를 줄이는 데 도움이 됩니다. 반대 전류 루프를 사용하면 표면 실장 커패시터에서 등가 직렬 인덕턴스를 더욱 줄이는 데 도움이 됩니다. 표면 실장 커패시터의 아키텍처를 최적화하면 인덕턴스를 크게 줄일 수 있습니다.

바이패스 커패시터에서 공진 주파수는 기생 인덕턴스에 따라 달라집니다. 이 기생 성분의 효과는 고주파수 응용 분야에서 더 널리 퍼집니다. 따라서 설계 엔지니어는 고속 디지털 회로용 커패시터의 인덕턴스를 측정하는 것이 중요합니다.

PCB 실장 디커플링 커패시터에서 인덕턴스는 주로 실장 패드 구조에 의해 결정됩니다. 전류는 커패시터 높이, 파워 플레인 퍼짐, 패드 레이아웃의 세 가지 요소로 설명되는 루프를 통해 흐릅니다. 등가 회로 인덕턴스는 전류 루프의 크기가 커질수록 증가하므로 전원(Vdd)과 접지(Gnd) 비아를 가깝게 하여 최소화한다. 인덕턴스를 최소화하는 다른 방법으로는 적절한 패드 레이아웃 설계를 선택하고 더 짧은 비아를 사용하는 것이 있습니다.

높은 커패시턴스 커패시터는 ESL이 높은 경향이 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 디지털 회로를 설계할 때 엔지니어는 커패시턴스와 등가 직렬 인덕턴스를 모두 고려해야 합니다. 고속 전자 회로에서는 인덕턴스가 낮은 적층 세라믹 커패시터가 부하 가까이에 배치됩니다. 기존의 탄탈륨 및 알루미늄 커패시터와 비교할 때 MLCC는 등가 직렬 인덕턴스가 낮습니다. 공간이 문제가 아닌 경우 MLCC를 병렬로 연결하여 매우 낮은 등가 직렬 인덕턴스를 제공할 수 있습니다.

MLCC 기술은 다양한 설계 구성 및 솔루션을 통해 자체 인덕턴스를 억제하는 뛰어난 설계 유연성을 제공합니다. 이미지 오른쪽:낮은 인덕턴스 세라믹 커패시터 LICC. 주요 이미지 출처 및 출처:AVX Corporation.

탄탈룸 커패시터의 기생 인덕턴스
탄탈륨 커패시터는 높은 신뢰성과 체적 효율성을 요구하는 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다. 다른 유형의 커패시터와 마찬가지로 이러한 커패시터에는 기생 ESR 및 ESL이 있습니다. 탄탈륨 커패시터에서 전도 전류는 유한 크기의 전도체를 통해 흐릅니다. 탄탈륨 커패시터의 기생 인덕턴스는 이러한 도체 때문입니다. 탄탈륨 커패시터의 커패시턴스 값은 기생 인덕턴스에 거의 무시할 수 있는 영향을 미칩니다. 또한 ESR과 달리 탄탈륨 커패시터의 ESL은 광범위한 주파수에서 상당히 일정하게 유지됩니다. 탄탈륨 커패시터에서 등가 직렬 인덕턴스는 페이스다운 종단을 사용하여 최소화됩니다. 이러한 종단을 사용하면 루프 영역을 줄여 기생 인덕턴스를 줄이는 데 도움이 됩니다.

전통적으로 탄탈륨 커패시터는 저주파 애플리케이션으로 제한됩니다. 페이스다운(undertab) 낮은 인덕턴스 탄탈륨 커패시터의 인상적인 성능은 배전 네트워크(PDN)에서 탄탈륨 커패시터를 위한 새로운 애플리케이션을 만들었습니다. 고성능 디지털 회로의 디커플링 애플리케이션의 경우 낮은 인덕턴스의 탄탈륨 폴리머 커패시터가 기존 세라믹 및 알루미늄 전해 커패시터보다 성능이 우수합니다. 낮은 인덕턴스 탄탈륨 커패시터를 고성능 회로에 적합한 선택으로 만드는 다른 특성에는 낮은 ESR과 적당히 높은 정전용량이 있습니다.

이미지 제공:Kemet T528; 참조 기술 문서는 여기에서 볼 수 있습니다.

알루미늄 전해 커패시터의 기생 인덕턴스
오랫동안 전자 회로 설계자들은 벌크 디커플링 애플리케이션을 위해 습식 알루미늄 전해 커패시터를 사용해 왔습니다. 그러나 이러한 커패시터의 상대적으로 높은 ESL 및 ESR은 응답을 느리게 하고 성능을 저하시킵니다. 알루미늄 폴리머 커패시터는 더 나은 성능 특성을 가지고 있으며 벌크 디커플링 애플리케이션에서 습식 알루미늄 커패시터를 점점 대체하고 있습니다. 기존의 알루미늄 커패시터와 달리 이 새로운 커패시터는 전도성 고분자를 전해질로 사용합니다. 또한 밸브-메탈 커패시터의 성능으로 인해 더 적은 수의 부품을 사용할 수 있으므로 공간을 절약하고 비용을 절감할 수 있습니다.

컴퓨터 및 기타 고성능 디지털 회로에서 알루미늄 폴리머 커패시터와 탄탈륨 폴리머 커패시터는 벌크 디커플링 애플리케이션에 사용됩니다. 매우 낮은 ESL 외에도 이러한 밸브 금속 커패시터는 매우 낮은 ESR, 작은 설치 공간, 높은 체적 효율성 및 적당히 높은 정전 용량을 제공합니다. 그러나 기존 알루미늄 커패시터에 비해 밸브 금속 커패시터는 생산 비용이 더 많이 듭니다.

결론
커패시터는 대부분의 디지털 회로에서 기본 요소입니다. 디커플링 커패시터는 고속 메모리 칩 및 마이크로 프로세서에 널리 사용됩니다. 완벽한 커패시터는 저장된 모든 에너지를 부하로 순간적으로 전달할 수 있지만 실제 커패시터는 그렇지 않습니다.

실제 커패시터의 기생 구성 요소는 저장된 에너지가 부하로 순간적으로 전달되는 것을 방지합니다. 이와 같이 실제 커패시터의 등가 회로 모델에는 용량성, 저항성 및 유도성 구성 요소가 있습니다. 이러한 RLC 구성 요소는 일반적으로 등가 직렬 커패시턴스, 등가 직렬 저항 및 등가 직렬 인덕턴스라고 합니다.

에너지가 부하로 전달되는 속도는 커패시터의 등가 직렬 인덕턴스에 의해 크게 결정됩니다. 이 속도는 ESL이 감소함에 따라 증가합니다. 오늘날의 디지털 회로는 더 높은 스위칭 속도와 낮은 인덕턴스 커패시터를 요구합니다. 스위칭 속도가 증가함에 따라 인덕턴스가 매우 낮은 커패시터에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있습니다.

제조업체는 오늘날의 고속 디지털 회로에서 요구하는 성능을 충족하기 위해 커패시터 제조 기술을 점진적으로 발전시키고 있습니다.