Перейти к содержанию

ESL — эквивалентная последовательная индуктивность

На высоких частотах конденсатор перестаёт быть конденсатором: его сопротивление снова растёт, как у катушки. Виновата собственная индуктивность выводов и обкладок, которую в моделях называют ESL.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

ESL (equivalent series inductance, эквивалентная последовательная индуктивность) — индуктивность, которая в схеме замещения реального конденсатора включена последовательно с идеальной ёмкостью. Она моделирует индуктивность выводов и обкладок: ток, проходя через конденсатор, создаёт магнитное поле, как в любом проводнике (ADI MT-101, рис. 3). Рядом в той же схеме стоят ESR, сопротивление утечки и цепочка диэлектрической абсорбции.

Что делает ESL

Последовательные C, ESR и ESL образуют резонансный контур. Пока частота низкая, преобладает ёмкость, и импеданс падает как 1/(2πfC). Около резонанса реактивные сопротивления ёмкости и индуктивности взаимно уничтожаются, и импеданс равен ESR. Выше резонанса преобладает индуктивность, и сопротивление растёт как 2πf·ESL — деталь работает уже как маленькая катушка:

fрез=12πESL⋅C,ESL=1(2πfрез)2 C.f_\text{рез} = \frac{1}{2\pi\sqrt{\mathrm{ESL}\cdot C}}, \qquad \mathrm{ESL} = \frac{1}{(2\pi f_\text{рез})^2\,C}.

Вторая формула позволяет оценить ESL по графику импеданса из даташита: найти частоту минимума |Z| и подставить номинальную ёмкость. Разобранный пример для керамики 4,7 мкФ в корпусе 0603 по графику TDK — в статье «Конденсаторы»: там выходит доля наногенри.

От чего зависит

По MT-101 поведение конденсатора на высоких частотах определяет ESL, а она сильно зависит от типа корпуса. Многослойные керамические конденсаторы — малоиндуктивная конструкция, их применяют для фильтрации на частотах 10 МГц и выше. Намотанные плёночные конденсаторы, наоборот, имеют заметную индуктивность и для развязки питания подходят плохо. К ESL самой детали добавляется индуктивность монтажа — дорожек и переходных отверстий до вывода микросхемы, поэтому высокочастотный блокировочный конденсатор ставят вплотную к выводу питания (MT-101, рис. 6).

Как с ней бороться

  • Выбирать конденсатор, у которого собственный резонанс выше самой высокой частоты, которую он должен подавлять (MT-101).
  • Ставить параллельно номиналы разного размера: меньший обычно имеет меньшую ESL и остаётся ёмкостью до более высоких частот.
  • Сокращать путь тока: короткие дорожки, переходное отверстие на плоскость земли сразу у площадки. Правила разводки — в статье «Блокировочные конденсаторы и питание».

Не путать с частотой собственного резонанса катушки (SRF): у дросселя резонанс параллельный — индуктивность обмотки с её межвитковой ёмкостью, и выше него катушка ведёт себя как конденсатор. У конденсатора наоборот: резонанс последовательный, и выше него он ведёт себя как индуктивность. Схемы замещения, примеры и выбор конденсаторов — в статье «Конденсаторы», резонансную частоту LC-цепи для своих значений посчитает калькулятор LC-контура.

Частые вопросы

Чем ESL отличается от ESR?

ESR — активное сопротивление: на нём выделяется тепло, и оно ограничивает импеданс конденсатора в самой нижней точке кривой. ESL — индуктивность: она не греет, но выше частоты собственного резонанса делает сопротивление конденсатора растущим с частотой, как у катушки. Обе величины входят в одну схему замещения последовательно с ёмкостью (ADI MT-101, рис. 3).

Как узнать ESL конденсатора?

Иногда её указывают в даташите, но чаще приходится оценивать по графику импеданса. На частоте собственного резонанса реактивные сопротивления ёмкости и индуктивности равны, поэтому ESL = 1/((2πf)²·C). У TDK C1608X5R1E475K080AC минимум |Z| около 2,5 МГц, отсюда ESL ≈ 0,86 нГн (наш расчёт по графику; с учётом точности чтения — порядка 0,7–1 нГн).

Почему рядом ставят конденсаторы разных номиналов?

Каждый конденсатор работает как ёмкость только до своего резонанса, а выше его импеданс растёт из-за ESL. Конденсатор меньшей ёмкости в малом корпусе резонирует выше, поэтому пара «большой + маленький» держит низкое сопротивление в более широкой полосе (MT-101, рис. 4). Маленький ставят ближе всех к выводу питания: индуктивность дорожки складывается с его ESL.

Источники

  1. Analog Devices. MT-101 Tutorial: Decoupling Techniques (Rev. 0, 03/09) — рис. 3: схема замещения реального конденсатора — C, ESR, ESL, сопротивление утечки и цепь диэлектрической абсорбции; ESL моделирует индуктивность выводов и обкладок; рис. 4 и ур. 1: импеданс падает, выполаживается на ESR и растёт из-за ESL, частота собственного резонанса 1/(2π√(ESL·C)); область высоких частот определяет ESL, которая сильно зависит от типа корпуса; меньший конденсатор обычно имеет меньшую ESL; MLCC — малоиндуктивная конструкция для фильтрации на 10 МГц и выше; плёночные намотанные — большая индуктивность; рис. 6: индуктивность дорожки к конденсатору ухудшает развязку
  2. TDK. Characterization Sheet C1608X5R1E475K080AC (Multilayer Ceramic Chip Capacitors) — 4,7 мкФ, 25 В, X5R, корпус 1,6 × 0,8 мм (EIA 0603); график |Z|, ESR vs. Freq.: минимум |Z| около 2,5 МГц (значение снято с графика)

Нашли ошибку?

Смотрите также