КРЫНІЦА ЭЛЕКТРОННЫХ КАМПАНЕНТАЎ З УПЭЎНЕНАСЦЮАўтарызаваныя крыніцы для інтэгральных схем (IC), модуляў IGBT, транзістараў, дыёдаў і пасіўных кампанентаў — з падтрымкай рэальных запасаў і экспертызы паставак.: Падтрымка інжынераў і пакупнікоў з дапамогай надзейных крыніц і спагадных цытат.ЗАПРЫЦЬ ЦЫТАТУ КАМПАНЕНТА

Тлумачэнне імпедансу MLCC і частоты самарэсонансу (SRF)

Aug25

Праглядаць: 981

MLCC не паводзяць сябе як ідэальныя кандыкатары на кожнай частаце. Іх імпеданс змяняецца, таму што ёмістасць, эквівалентны серыйны супраціў (ESR) і эквівалентная серыйная індуктыўнасць (ESL) ўзаемадзейнічаюць, ствараючы частоту самарэсонансу, на якой імпеданс дасягае свайго мінімуму. У гэтым артыкуле растлумачана, як змены імпедансу MLCC ў ніжняй, на і над рэзананснай частотай, а таксама як значэнне ёмістасці, памер упакоўкі, тып дыэлектрыка і мацаванне на PCB уплываюць на высокачастотную паводзіны. Вы таксама даведаецеся, як чытаць кривыя імпедансу і SRF вытворцы, каб вы маглі выбраць правільны MLCC для фільтрацыі, дэкауплінгу, RF і іншых высокачастотных прымяненняў.

Каталог

1. Што такое імпеданс MLCC і чаму ён змяняецца з частатой

2. Ёмістасць, ESR і ESL у эквівалентнай схеме MLCC

3. Формула частоты самарэсонансу MLCC і частотныя рэгіёны

4. Уплыў значэння ёмістасці і памеру ўпакоўкі на SRF

5. Тып дыэлектрыка, ESR і страты на высокіх частотах

6. Падушкі PCB, трасіроўка, проводы і рэзананс у схеме

7. Чытанне кривых імпедансу MLCC і SRF для выбару кандыкатара

MLCC Impedance and Self-Resonant Frequency

Малюнак 1. Імпеданс MLCC і частота самарэсонансу

Што такое імпеданс MLCC і чаму ён змяняецца з частатой?

Імпеданс MLCC — гэта супрацьстаянне, якое шматслаёвы керамічны кандыктар прапануе пераменнаму току, і яго значэнне змяняецца з частатой. У адрозненне ад ідэальнага кандыкатара, рэальны MLCC змяшчае ёмістасць разам з электрычнымі стратамі і паразітычнай індуктыўнасцю. Гэтыя характарыстыкі вызначаюць, наколькі кандыктар супрацьстаіць AC току на пэўнай частаце.

Паколькі гэтыя эфекты рэагуюць па-рознаму на частату, у MLCC няма аднаго фіксаванага значэння імпедансу. Яго імпедансная характарыстыка частоты залежыць ад такіх фактараў, як значэнне ёмістасці, ESR, ESL, тып дыэлектрыка, памер ўпакоўкі, канструкцыя электродаў і рабочая частата. _[1],[2]

Таму кривая імпедансу, дададзеная вытворцам, больш карысная для высокачастотнага дызайну, чым адно номінальнае значэнне ёмістасці. Яна паказвае, як фактычны кампанент паводзіць сябе на розных частотах і дапамагае вызначыць, ці забяспечвае кандыктар дастаткова нізкі імпеданс на частаце, якая важная для схемы.

Для дэкауплінгу, фільтрацыі і іншых высокачастотных прымяненняў выбірайце MLCC, правяраючы імпеданс на мэтавай частаце, разам з ESR, ESL, ёмістасцю, памерам упакоўкі і ўмовамі вымярэння, указанымі вытворцам. Дакладная паводзіны ніжэй SRF, на SRF і вышэй SRF разгледжана асобна ў раздзеле пра частату самарэсонансу.

Ёмістасць, ESR і ESL у эквівалентнай схеме MLCC

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

Малюнак 2. Ёмістасць, ESR і ўнутрняя ESL MLCC у эквівалентнай схеме

Практычная мадэль першага парадку MLCC складаецца з ёмістасці (C), эквівалентнага серыйнага супраціву (ESR) і эквівалентнай серыйнай індуктыўнасці (ESL), злучаных у серыю. Murata і TDK абодва выкарыстоўваюць гэты тып мадэлі, каб растлумачыць, як імпеданс кандыкатара змяняецца з частатой. _[1],[2]

Пры адносна нізкіх частот ёмістасць мае найбольшы ўплыў на імпеданс. Паколькі частата ўзрастае, ёмістасны супраціў становіцца меншым, таму імпеданс MLCC зніжаецца. На вышэйшых частотах уплыў ESL становіцца мацнейшым, выклікаючы павелічэнне індуктыўнага ўкладу. У блізасці да самарэзонанснай частоты ёмістасныя і індуктыўныя эфекты становяцца прыкладна роўнымі і ў большасці адменяюць адзін аднаго, утвараючы рэгіён самага нізкага імпедансу крывой.

Эквівалентная схемная элемента	Што яна прадстаўляе	Асноўны эфект частоты
Ёмістасць, C	Намеркаванае паводзіны захавання зарада	Выклікае зніжэнне імпедансу па меры ўзрастання частоты ніжэй за рэзананс
ESR	Страты, звязаныя з дыэлектрыкам, электродамі, завяршэннямі і іншымі супраціўнымі эфектамі	Спрыяе імпедансу па ўсім дыяпазоне частот і моцна ўплывае на мінімальны імпеданс
ESL	Паразітычная індуктыўнасць электродаў, терминалаў і ўнутраных токавых шляхоў	Выклікае павышэнне імпедансу ў індуктыўным рэгіёне высокіх частот

Важно не апісваць ESR як існуючы толькі каля SRF. ESR спрыяе на працягу ўсёй крывой імпедансу і можа змяняцца ў залежнасці ад частоты. Murata тлумачыць, што страту дыэлектрыка ўплывае на ESR у ёмістасным рэгіёне, у той час як супраціў электродаў, эффект скуры, блізкі эффект, геаметрыя электродаў і іншыя страты становяцца ўсё больш важнымі на больш высокіх частотах. _[1]

Простая мадэль C-ESR-ESL карысная для разумення асноўнай тэндэнцыі імпедансу, але фактычны MLCC можа дэманстраваць больш складанае паводзіны на вельмі высокіх частотах. Для праектавання дадзеныя аб імпедансе, вымераныя або мадэляваныя вытворцам для дакладнага нумара дэталі, больш надзейныя, чым ацэнка эфектыўнасці толькі на аснове намінальнай ёмістасці, ESR і ESL.

Формула самарэзонанснай частоты MLCC і частотныя рэгіёны

Самарэзонансная частота (SRF) MLCC — гэта частата, на якой яго ёмістасныя і індуктыўныя эфекты прыкладна балансуюць у спрошчанай мадэлі кампанента. У гэты момант імпеданс кандэсатара дасягае свайго мінімуму. Murata ідэнтыфікуе мінімальны пункт на крывой імпедансу-частоты як самарэзонансную частату. _[1]

Спрошчаная серыйная мадэль прадстаўляе MLCC з выкарыстаннем ёмістасці (C), эквівалентнага серыйнага супраціву (ESR) і эквівалентнай серыйнай індуктыўнасці (ESL). Яго залежны ад частоты імпеданс можна наблізна разлічыць як:

Z(f) ≈ ESR + j[2πfESL − 1/(2πfC)]

Адпаведная велічыня імпедансу:

|Z| ≈ √{ESR² + [2πfESL − 1/(2πfC)]²}

Прыблізная самарэзонансная частата:

fSRF ≈ 1/[2π√(ESL·C)]

Тут ESR у омах (Ω), C у фарадах (F), ESL у генры (H), а f у герцах (Hz). Гэта мадэль першага парадку серыйнага-RLC прадстаўляе асобны MLCC і выключае паразіты з трас, пад і vias PCB.

Гэтыя ўзаемасувязі паказваюць, чаму ёмістасць і ESL моцна ўплываюць на SRF. Калі ESL застаецца падобным, павелічэнне ёмістасці звычайна зрушвае SRF ніжэй, у той час як памяншэнне ёмістасці, як правіла, зрушвае яго вышэй. Паменш.value ESL звычайна пераносіць SRF на больш высокую частату.

Тут ESL адносіцца да эквівалентнай серыйнай індуктыўнасці кандэсатара. Падклады, трасіры, vias і геаметрыя токавага петлі дадаюць дадатковую індуктыўнасць пасля мантажу MLCC і могуць змяняць яго паводзіны высокачастотнага высокага ўзроўня.

Гэтыя формулы — гэта спрошчаныя набліжэнні. Фактычная SRF і імпеданс таксама залежаць ад будаўніцтва кандэсатара, геаметрыі электродаў, ESR, памеру ўпакоўкі, параметраў, якія залежаць ад частоты, і іншых паразітычных эфектаў. Для дакладнага выбару праверце крывую імпедансу-частоты вытворцы для дакладнага нумара дэталі. _[1]

Ніжэй SRF

Ніжэй SRF, ёмістасць з'яўляецца дамінуючым эфектам. Паколькі частата ўзрастае, імпеданс MLCC, як правіла, зніжаецца. Кампанент таму паводзіць сябе ў асноўным як ёмістасць у гэтым рэгіёне. _[1]

ESR і ESL усё яшчэ прысутнічаюць, таму MLCC не з'яўляецца ідэальным кандэсатарам. MLCC з большай ёмістасцю звычайна забяспечваюць ніжэйшы імпеданс на нізкіх частотах, што робіць іх карыснымі для дэкопліроўкі і фільтрацыі ў гэтым рэгіёне.

На SRF

На або каля SRF ёмістасныя і індуктыўныя эфекты прыкладна адменяюцца. MLCC дасягае свайго мінімальнага імпедансу, і ESR моцна ўплывае на тое, наколькі нізкім становіцца гэты мінімум у спрошчанай мадэлі. [1]

SRF не азначае, што MLCC раптоўна губляе сваю ёмістасць. Замест гэтага гэта адзначае пераход паміж пераважна ёмістасным і пераважна індуктыўным паводзінамі. У блізкасці да рэзанансу, толькі ёмістасць больш не хапае, каб апісаць імпеданс кампанента. _[3]

Вышэй SRF

Над SRF MLCC паказвае індуктыўны імпеданс, які звычайна павялічваецца з частатой. Ён можа ўсё ж унёсці ў сетку з нізкім імпедансам, але яго не варта разглядаць як звычайнае ёмкаснае разгрузку. Праверце велічыню імпедансу, фазу і адказ усталяванай сеткі на мэтавай частаце. _[1],[2]

MLCC не становіцца аўтаматычна непрыдатным вышэй за SRF. Важнае пытанне ў тым, ці з'яўляецца яго фактычны імпеданс на рабочай або шумавой частаце дастаткова нізкім для патрабаванняў схемы.

Частотная вобласць	Дамінуючы эфект	Тэндэнцыя імпедансу	Практычная паводзіны
Ніжэй SRF	Ёмкасць	Паменшае, калі частата павялічваецца	Асноўным чынам ёмкасная
На SRF	Ёмкасныя і індуктыўныя эфекты ўраўнаважваюцца	Дасягае мінімуму	ESR моцна ўплывае на мінімальны імпеданс
Вышэй SRF	ESL	Павялічваецца, калі частата павялічваецца	Паступова індуктыўны

Для выбару высокачастотных MLCC не трэба разлічваць толькі на SRF. Параўнайце фактычны імпеданс кондэсатара, ESR і частотную адказнасць на цікавай частаце, а таксама ўлічыце індуктыўнасць мацавання PCB пры ацэнцы яго паводзін у канчатковай схеме.

Эфект памеру ёмкасці і упакоўкі на SRF

Capacitance Value and Package Size on SRF

Фігура 3. Памер ёмкасці і ўпакоўка на SRF

SRF MLCC у асноўным залежыць ад сувязі паміж яго эфектыўнай ёмкасцю і эквівалентнай серыйнай індуктыўнасцю (ESL), але ні значэнне ёмкасці, ні памер упакоўкі не павінны разглядацца ў ізаляцыі.

У агульным выпадку большая ёмкасць, калі ESL застаецца падобнай, схільная да зніжэння SRF, у той час як меньшая ёмкасць звычайна павялічвае SRF, калі іншыя параметры параўнальныя. Зніжэнне ESL таксама можа перанесці рэзананс на вышэйшую частату і палепшыць паводзіны імпедансу пры высокіх частотах. _[1]

Фактар	Тыповы эфект
Большая ёмкасць, падобны ESL	Схільна зніжаць SRF
Меншая ёмкасць, падобны ESL	Схільна павышаць SRF
Меншы ESL	Схільна павышаць SRF і зніжаць імпеданс у індуктыўнай вобласці
Карацейшы, шырэйшы электрод/шлях цякучасці	Можа зніжаць ESL
Зваротная геаметрыя	Змяншае даўжыню шляху цякучасці і ESL
Меншы памер упакоўкі, тая ж ёмкасць і падобная канструкцыя	Часто зніжае ESL і павышае SRF
Памер упакоўкі сам па сабе	Не вызначае адназначна SRF

Murata паказвае, што для MLCC з аднолькавай ёмкасцю ў параўноўваных канструкцыях, меншыя памеры корпуса могуць паказваць ніжэйшы ESL і вышэйшы SRF. Murata таксама тлумачыць, што карацейшыя і шырэйшыя ўнутраныя структуры электродаў зніжаюць ESL. Гэта карысная тэндэнцыя дызайну, але яе не варта разглядаць як універсальнае правіла для кожнай сям'і MLCC і канструкцыі. _[1] Для стандартных памераў упакоўкі і памераў EIA да метрычных кодаў гляньце табліцу памераў MLCC з 01005 па 2220.

Кондэсатары з зваротнай геаметрыяй наўмысна выкарыстоўваюць гэты прынцып. TDK тлумачыць, што шырэйшы і карацейшы шлях цякучасці зніжае ESL, у той час як структуры з трох терміналяў могуць яшчэ больш знізіць ESL, скарачаючы шлях паміж сілкавальным провадом і зямлёй. [5] Для больш падрабязнай інфармацыі аб выбары упакоўкі і структур кондэсатараў для ніжняга індуктыўнасці глядзіце кнігу кіраўніцтва па выбару MLCC з нізкім ESL.

Злучэнне некалькіх значэнняў ёмкасці паралельна таксама не гарантуе ніжэйшы імпеданс на ўсёй частотнай вобласці. Кондэсатары з рознымі рэзанансамі могуць узаемадзейнічаць з паразітнай індуктыўнасцю і ствараць пікі антырэзансу імпедансу. TDK і Murata абодва апісваюць гэты эфект. _[4][9]

З гэтай прычыны выбірайце MLCC, параўноўваючы фактычныя дадзеныя імпедансу-частоты вытворцы для дакладных нумароў частак і, калі карыстаецеся некалькімі кондэсатарамі разам, ацэніце імпеданс поўнай сеткі.

Тып дыэлектрыка, ESR і страты на высокіх частотах

Дыялектрычная сістэма MLCC ўплывае на страту дыэлектрыка, стабільнасць ёмкасці, Q-фактар, эфектыўную ёмкасць і ESR, але тып дыэлектрыка не з'яўляецца адзіным фактарам, які ўплывае на прадукцыйнасць на высокіх частотах.

Конденсатары C0G/NP0 з'яўляюцца dielectrics класа I, у той час як конденсатары X5R і X7R з'яўляюцца dielectrics класа II. TDK адзначае, што матэрыялы класа I забяспечваюць стабільную ёмістасць і нізкія страты, у той час як матэрыялы класа II прапануюць больш высокую шчыльнасць ёмістасці, але маюць большую залежнасць ад тэмпературы і прыкладзенага напружання. _[3]

Характарыстыка	C0G / NP0	X7R / X5R
Клас dielectrics	Клас I	Клас II
Страты dielectrics	Very low	Звычайна вышэйшыя і часткова залежаць
Фактор Q	Звычайна высокі	Звычайна ніжэйшый
Залежнасць ад напружання	Very small	Можа быць значнай
Стабільнасць тэмпературы	Very high	Ніжэй, чым у C0G
Шчыльнасць ёмістасці	Ніжэйшая	Значна вышэйшая
Распаўсюджаныя прымяненні	RF, рэзананснае, наладжванне, супадзенне, дакладнасць	Разраджанне, абыход, згладжванне, масавыя керамічныя конденсатары

Murata тлумачыць, што матэрыялы класа II з высокай адноснай канцэнтратам часта маюць больш высокі ESR у ёмістасці, бо выкарыстоўваюць феройэлектрычныя матэрыялы, у той час як матэрыялы класа I, якія кампенсуюць тэмпературу, выкарыстоўваюць парэлектычную кераміку з значна ніжэйшымі стратамі dielectrics. Murata таксама адзначае, што ESR вакол рэзанансу і на вышэйшых частотах залежыць ад устойлівасці электродаў, памераў электродаў, колькасці слаёў, эфекту скуры і эфекту блізкасці. [1]

Q таксама звязаны са стратамі конденсатара. TDK вызначае Q як рэцыпрук дысіпацыйнага фактару (tan δ), таму вышэйшы Q сведчыць аб ніжэйшых стратах. _[3]

Гэтыя характарыстыкі робяць нізькостратныя конденсатары класа I асабліва карыснымі ў рэзанансных і высокачастотных схемах. TDK спецыяльна вылучае класа I C0G MLCC як прыдатныя для рэзанансных конденсатараў, паколькі іх нізкі ESR зніжае страты энергіі. Сямействаў высокага Q MLCC ад Murata таксама прызначаныя для рэзанансных, наладжвальных і супадзенняў па імпедансе. _[7],[8]

X5R і X7R забяспечваюць рэзка большую ёмістасць для зададзенага памеру, але іх эфектыўная ёмістасць можа зніжацца пад уздзеяннем DC. Murata пацвярджае, што параэлектрычныя MLCC тыпу C0G паказваюць нязначныя змены ёмістасці, звязаныя з напружаннем, у той час як прадукты X5R/X7R з высокай адноснай канцэнтратам могуць паказваць значна большую залежнасць ад напружання. _[6]

Такім чынам, толькі клас dielectrics ніколі не павінен выкарыстоўвацца для прагназавання дакладнага ESR, SRF або імпедансу дэталяў. Праверце канкрэтныя дадзеныя па імпедансе, ESR, эфектыўнай ёмістасці, напружанні і частаце ад вытворцы.

PCB Падушкі, Крамы, Віяс і Рэзананс у Схеме

SRF кампанента апісвае рэзананс, звязаны з самім MLCC, у адпаведнасці з вызначанымі вытворцам умоўмі вымярэння або мадэлявання. Пасля таго, як конденсатар усталяваны на PCB, аднак, электрычны шлях таксама ўключае индуктивнасць ад падушак, крамоў, віяс, злучэнняў з сіламі, злучэнняў з зямлёй і геаметрыяй цалкам бягучага кола.

Murata тлумачыць, што агульная индуктивнасць разрадзіравальнага кола ўключае ESL самога MLCC плюс индуктивнасць малюнкаў PCB і віяс, якія злучаюць конденсатар з нагрузкай. На высокіх частотах, гэтая проводка може стаць асноўнай часткай агульнага імпедансу. _[4]

Элемент PCB	Эфект высокіх частот
Падушкі і кароткія злучэнні	Спрыяюць индуктивнасці мантажу
Доўгія крылья	Павялічваюць злучальную индуктивнасць
Ўз narrow traces	Звычайна павялічваюць проводную индуктивнасць у параўнанні з шырэйшымі шляхамі
Віяс	Дадаюць индуктивнасць паміж конденсатор і ўнутреннімі плосцямі
Вялікая плошча бягучага кола	Павялічвае индуктивнасць кола
Сілавыя і зямлі плосці	Станоўяцца часткай поўнай сеткі імпедансу

Murata рэкамендуе скарачаць і пашыраць шлях злучэння конденсатара, размяшчаць конденсатар блізка да нагрузкі, памяншаць плошчу бягучага кола і размяшчаць віяс для мінімізацыі агульнай индуктивнасці кола. Murata спецыяльна тлумачыць, што проводная индуктивнасць ўключае ўзоры PCB і віяс паміж IC нагрузкі і разраджальным конденсатарам. _[4]

TDK падобным чынам паказвае, што ўзоры зямлі і віяс могуць абмяжоўваць прадукцыйнасць вельмі нізькостратных конденсатараў. Для сваіх трохтермінальных фільтраў TDK рэкамендуе некалькі зямных віяс і кароткія шляхі віяс для зніжэння паразітных эфектаў. [5] гэтыя ўліку макета становяцца асабліва важнымі на высокакурэнтных лічбавых сіл. Для больш засяроджанага прыкладу глядзіце Разраджанне MLCC і дызайн з нізкай ESL для сіл сервараў AI.

Тахаграф SRF характарызуе асобны MLCC пры ўмовах вымярэння або мадэлявання вытворцы. Пасля мантажу падушачкі, проводкі, вія, пласты, шляхі пакета і геаметрыя контуроў дадаюць індуктыўнасць і могуць стварыць іншае рэзананс у коле. Ацэніце манціраваную сетку, а не разглядаеце паразiтныя элементы PCB як змяненне спецыфікацыйнага SRF кампанента.

Чытанне крывых імпедансу MLCC і SRF для выбару ёмістасцяў

Кривыя імпедансу вытворцы ў адносінах да частоты павінны быць прачытаны для дакладнага нумара часткі MLCC, паколькі прадукты з падобнай ёмістасцю, напружаннем і памерам упакоўкі могуць мець розныя ESR, ESL і частоты самарэзонансу.

Пачніце з частоты працы, канцавой, гармонік або шуму, якую ёмістасць павінна кантраляваць. Знайдзіце гэтую частоту на гарызантальнай восі і чытайце велічыню імпедансу, |Z|. Параўнайце кандыдатныя часткі на той жа частаце, а не выбірайце самую высокую намінальную ёмісткасць або SRF. _[1]

Наступным крокам знайдзіце мінімальную кропку крывой імпедансу. Гэتي пункт паказвае прыкладную SRF, дзе ёмістасныя і індуктыўныя рэакцыі ў значнай мераю інгибіруюць і ESR моцна ўплывае на мінімальны імпеданс. Калі ёсць кривыя фаз, праверце, дзе фаза праходзіць прыкладна 0°. Ніжэй гэтага пераходу MLCC пераважна ёмістасны; вышэй — пераважна індуктыўны. MLCC не з'яўляецца аўтаматычна непрыдатным вышэй SRF, але яго фактычны імпеданс і фаза павінны адпавядаць патрабаванню схемы.

Перад параўнаннем крывых пацвердзіце ўказаную тэмпературу, DC упору і ўзровень AC вымярэння. Прымяняецца DC напружанне можа панізіць эфектыўную ёмістасць MLCC X5R і X7R, зрушваючы іх крывыя імпедансу і SRF. Крывая малога сігналу, вымераная пры 0 В DC упору, можа не адлюстраваць працу пры рэальным напружанні або рыпле схемы. Таксама вызначыце, ці ўтрымлівае апублікаваная крывая вымераныя, мадэляваныя, разлічаныя або тыповыя даныя. _{[3], [6]}

Выкарыстоўвайце крывыя, атрыманыя ў параўнальных умовах, калі гэта магчыма. Розніца ў усталёўцы, рэферэнтнай плоскасці і мантажу можа ўплываць на вымярэнні высокіх частот. Пасля мантажу MLCC падушачкі, проводкі, вія, пласты і геаметрыя контуроў дадаюць індуктыўнасць і могуць стварыць рэзананс у коле, які адрозніваецца ад SRF асобнага кампанента. Тому фінальны выбар павінен адпавядаць патрабаванаму імпедансу на мэтавых частотах пры рэальных электрычных і мантажных умовах схемы._[4],[5]