СЕНІМДІ ЭЛЕКТРОНДЫҚ КОМПОНЕНТТЕРДІҢ КӨЗІИнтегралды схемалар (IC), IGBT модульдері, транзисторлар, диодтар және пассивті құрамдас бөліктер үшін рұқсат етілген ресурс – нақты қор және ресурс сараптамасымен қамтамасыз етілген.: Инженерлер мен сатып алушыларды сенімді көзбен және жауап беретін баға ұсыныстарымен қолдау.ҚҰРАМАНДЫҚ БАҒА СҰРАУ

MLCC импеданс және өз-өзін резонирлеу жиілігі (SRF) түсіндірілді

Aug25

Шолу: 1,116

MLCC-лер әрбір жиілікте идеал конденсаторлар сияқты әрекет етпейді. Олардың импедансы к capacitance, эквиваленттік σειрезистанс (ESR) және эквиваленттік σειриндуктивность (ESL) сәйкестенуінің нәтижесінде өзгеріп отырады, бұл импеданс минимал деңгейге жететін өз-өзін резонирлеу жиілігін қалыптастырады. Бұл мақала MLCC импедансы резонанстан төмен, резонанста, және резонанстан жоғары қалай өзгеретіні туралы, сондай-ақ к capacitance мәні, пакет өлшемі, диэлектрикалық типі және PCB монтажының жоғары жиілікті тәртібіне қалай әсер ететінін түсіндіреді. Сіз өндірушінің импеданс және SRF қисықтарын қалай оқу керектігін де үйренесіз, сондықтан сіз фильтрация, декуплирлеу, RF және басқа да жоғары жиілікті қолданбалар үшін дұрыс MLCC таңдауға мүмкіндігіңіз болады.

Каталог

1. MLCC импедансы дегеніміз не және ол неге жиілікпен өзгереді

2. MLCC эквиваленттік схемасындағы к capacitance, ESR және ESL

3. MLCC өз-өзін резонирлеу жиілігінің формуласы және жиілік аймақтары

4. К capacitance мәні мен пакет өлшемінің SRF-ке әсерлері

5. Диэлектрикалық тип, ESR, және жоғары жиіліктердегі жоғалту

6. PCB подтары, трассалар, vias, және схемадағы резонанс

7. Конденсаторды таңдау үшін MLCC импеданс және SRF қисықтарын оқу

MLCC Impedance and Self-Resonant Frequency

Сурет 1. MLCC импеданс және өз-өзін резонирлеу жиілігі

MLCC импедансы дегеніміз не және ол неге жиілікпен өзгереді?

MLCC импедансы — көпқабатты керамикалық конденсатордың алмастырғыш токқа қарсылығы, оның мәні жиілікпен өзгереді. Идеал конденсатордан айырмашылығы, нақты MLCC к capacitance-ны электрлік шығындар мен паразиттік индуктивтілікті бірге қамтиды. Бұл ерекшеліктер конденсатордың нақты жиіліктегі AC токына қаншалықты қарсылық көрсететінін анықтайды.

Осы әсерлердің жиілікке жауап беруі әрқалай болғандықтан, MLCC-нің бір тұрақты импеданс мәні жоқ. Оның импеданс-жиілік сипаттамасы к capacitance мәні, ESR, ESL, диэлектрикалық типі, пакет өлшемі, электрод құрылымы және жұмыс жиілігі сияқты факторларға байланысты. _[1],[2]

Сондықтан өндіруші ұсынған импеданс қисығы жоғары жиілікті жобалау үшін номинал к capacitance-тан гөрі пайдалырақ. Ол компоненттің нақты жиілікте қалай әрекет ететінін көрсетеді және конденсатордың схемаға қажетті жиілікте жеткілікті төмен импеданс беретінін анықтауға көмектеседі.

Декуплирлеу, фильтрация, және басқа жоғары жиілікті қолданбалар үшін MLCC-ны таңдау кезінде мақсатты жиіліктегі импедансты, ESR, ESL, к capacitance, пакет өлшемі және өндірушінің өлшеу шарттарын тексеру қажет. SRF-тің төмен, SRF-де, және SRF-тің жоғары деңгейіндегі егжей-тегжейлі тәртібі өз-өзін резонирлеу жиілігі туралы бөлімде жеке қарастырылған.

MLCC эквиваленттік схемасындағы к capacitance, ESR және ESL

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

Сурет 2. Эквиваленттік схемадағы к capacitance, ESR және MLCC ішкі ESL

Практикалық бірінші дәрежелі модель MLCC к capacitance (C), эквиваленттік σειрезистанс (ESR) және эквиваленттік σειриндуктивность (ESL) қатарымен қосылудан тұрады. Murata және TDK бұл типтегі модельді конденсатор импедансасының жиілікпен қалай өзгеретінін түсіндіру үшін пайдаланады. _[1],[2]

Салыстырмалы түрде төмен жиіліктерде, сыйымдылық импедансға ең күшті әсерін тигізеді. Жиілік артқан сайын, сыйымдылық кедергісі кішіреюде, нәтижесінде MLCC-дің импедансы төмендейді. Жоғары жиіліктерде, ESL әсері күшті болады, индуктивті ықпалдың артуына себеп болады. Өзін-өзі резонанс жиілігіне жақындаған кезде, сыйымдылық және индуктивті әсерлер шамамен теңесіп, бір-бірін едәуір жояды, қисықтың ең төмен импеданс аймағын құрайды.

Эквивалентті-схема элементі	Ол не көрсетеді	Негізгі жиілік әсері
Сыйымдылық, C	Жоспарланған заряд сақтау мінез-құлқы	Резонанстан төмен жиіліктерде жиілік артқан сайын импеданстың төмендеуіне себеп болады
ESR	Диэлектрик, электродтар, терминалдар және басқа кедергі әсерлерімен байланысты жоғалулар	Жиілік диапазоны бойынша импедансға үлес қосып, минималды импедансға қатты әсер етеді
ESL	Электродтар, терминалдар және ішкі ток жолдарының паразитті индуктивтілігі	Жоғары жиілікті индуктивті аймақта импеданстың артуына себеп болады

ESR-ды тек SRF маңында бар деп сипаттамау маңызды. ESR импеданс қисығы бойында үлес қосады және жиілікпен өзгеруі мүмкін. Murata диэлектрлік жоғалту ESR-ға сыйымдылық аймағында әсер ететінін түсіндіреді, ал электрод кедергісі, тері әсері, жақындық әсері, электрод геометриясы және басқа жоғалту жоғары жиіліктерде барған сайын маңызды болады. _[1]

Жай C-ESR-ESL моделі негізгі импеданс тенденциясын түсінуге пайдалы, бірақ шын MLCC өте жоғары жиіліктерде күрделірек мінез-құлық көрсете алады. Дизайн жұмыстары үшін, өндірушінің дәл бөлшек нөмірі үшін өлшенген немесе модельденген импеданс деректері номиналды сыйымдылық, ESR және ESL бойынша өнімділікті бағалаудан гөрі сенімдірек.

MLCC өзін-өзі резонанс жиілігі формуласы және жиілік аймақтары

MLCC-нің өзін-өзі резонанс жиілігі (SRF) — оның сыйымдылық және индуктивті әсерлері қарапайым компонент моделі бойынша шамамен теңесетін жиілік. Бұл нүктеде конденсатордың импедансы минималды мәнге жетеді. Murata импеданс-жиілік қисығындағы минималды нүктені өзін-өзі резонанс жиілігі деп анықтайды. _[1]

Жайлатылған тізбекті модель MLCC-ді сыйымдылық (C), эквивалентті тізбектің кедергісі (ESR) және эквивалентті тізбектің индуктивтілігі (ESL) көмегімен көрсетеді. Оның жиілікке тәуелді импедансы былайша жуықталады:

Z(f) ≈ ESR + j[2πfESL − 1/(2πfC)]

Сәйкес импедансның өлшемі:

|Z| ≈ √{ESR² + [2πfESL − 1/(2πfC)]²}

Жуық өзін-өзі резонанс жиілігі:

fSRF ≈ 1/[2π√(ESL·C)]

Мұнда ESR оммен (Ω), C фарада (F), ESL генри (H), және f герцте (Hz) беріледі. Бұл бірінші дәрежелі тізбектелген-RLC моделі тәуелсіз MLCC-ны көрсетеді және PCB жолақтарынан, падтардан және vias-тан паразиттерді шығарады.

Осы қатынастар сыйымдылық пен ESL-ның SRF-ге неге мықты әсер ететінін көрсетеді. ESL ұқсас болып тұрған кезде, сыйымдылықтың артуы әдетте SRF-ті төмендетеді, ал сыйымдылықтың төмендеуі оны жоғарылатуға бағыттайды. ESL-ды төмендету әдетте SRF-ні жоғары жиілікке ауыстырады.

Мұнда ESL конденсатордың өзіндік эквивалентті тізбектік индуктивтілігін білдіреді. PCB падтары, жолақтары, vias және ток петлесі геометриясы MLCC орнатылғаннан кейін қосымша индуктивтілік қосып, оның тізбектегі жоғары жиіліктегі мінез-құлқын өзгерте алады.

Бұл формулалар жайлатылған жуықтаулар. Нақты SRF және импеданс конденсатордың құрылысынан, электрод геометриясынан, ESR-дан, пакет өлшемінен, жиілікке тәуелді параметрлерден және басқа паразитті әсерлерден де тәуелді. Дәл таңдау үшін, өндірушінің дәл бөлшек нөмірі үшін импеданс-жиілік қисығын тексеріңіз. _[1]

SRF-ден төмен

SRF-ден төменде, сыйымдылық басым әсер етеді. Жиілік артқан сайын, MLCC-дің импедансы әдетте азаяды. Сондықтан компонент осы аймақта негізінен конденсатор ретінде әрекет етеді. _[1]

ESR мен ESL әлі де бар, сондықтан MLCC идеалды конденсатор емес. Жоғары сыйымдылықты MLCC-лер әдетте төмен жиіліктерде төмен импеданс ұсынады, бұл оларды осы аймақта шуларды жою және сүзу үшін пайдалы етеді.

SRF кезінде

SRF-ға жақында немесе SRF-да, сыйымдылық және индуктивті әсерлер шамамен бір-бірін жояды. MLCC минималдық импедансқа жетеді, мұнда ESR бұл минималдықтың қаншалықты төмен болатындығына күшті әсер етеді. [1]

SRF конденсатордың сыйымдылығын кенет жойғанын білдірмейді. Керісінше, бұл негізінен сыйымдылықтан индуктивті мінез-құлыққа өту кезеңін белгілейді. Резонанс маңында, тек сыйымдылық компоненттің импедансын сипаттауға жеткілікті болмайды. _[3]

SRF-ден жоғары

SRF-тан жоғары, MLCC индуктивті кедергі көрсетеді, ол жиілікпен бірге көбейеді. Бұл төмен кедергідегі желіге қосылуы мүмкін, бірақ оны кәдімгі конденсаторлық декуплирлеу ретінде қарастырмау керек. Кедергінің көлемін, фазасын және тағайындалған жиіліктегі монтаждалған желі жауапкершілігін тексеріңіз. _[1],[2]

MLCC SRF-тан жоғары автоматты түрде қолданылмайды. Маңызды сұрақ - оның нақты кедергісінің жұмыс істеп тұрған немесе шу жиілігінде схемалық талап үшін жеткілікті түрде төмен бе?

Жиілік аймағы	Басым әсер	Кедергі тенденциясы	Практикалық мінез-құлық
SRF-тан төмен	Капаситет	Жиілік артқан сайын азаяды	Негізінен конденсаторлық
SRF-та	Конденсаторлық және индуктивті әсерлер теңестіріледі	Минимумға жетеді	ESR минималды кедергіні қатты әсер етеді
SRF-тан жоғары	ESL	Жиілік артқан сайын көбейеді	Көбейіп бара жатқан индуктивтілік

Жоғары жиілікті MLCC таңдау үшін тек SRF-қа сенбеңіз. Конденсатордың нақты кедергісін, ESR-ін және қызығушылық жиілігіндегі жиілік жауапкершілігін салыстырыңыз және финалдық схемадағы мінез-құлықты бағалау кезінде PCB монтаждау индуктивтілігін ескеріңіз.

Капаситет мәні мен пакет өлшемінің SRF-қа әсері

Capacitance Value and Package Size on SRF

Сурет 3. Капаситет мәні мен пакет өлшемінің SRF-қа әсері

MLCC-ның SRF-і оның тиімді капаситеті мен эквиваленттік сериялы индуктивтілік (ESL) арасындағы қарым-қатынасқа негізделеді, бірақ капаситет мәні мен пакет өлшемін оқшаулау ретінде қарастыруға болмайды.

Жалпы, жоғары капаситет ESL бірдей болған кезде төмен SRF беруге бейім, ал төмен капаситет басқа параметрлермен салыстырғанда жоғары SRF беруге бейім. ESL-ді азайту резонансты жоғары жиілікке ауыстыруы және жоғары жиілікті кедергі мінез-құлқын жақсартуы мүмкін. _[1]

Фактор	Типтік әсер
Жоғары капаситет, ұқсас ESL	SRF-ті төмендетуге бейім
Төмен капаситет, ұқсас ESL	SRF-ті көтеруге бейім
Төмен ESL	SRF-ті көтеруге және индуктивті аймақта кедергіні азайтуға бейім
Қысқа, кең электрод/ток жолы	ESL-ді азайтуы мүмкін
Керісінше геометрия	Ток жолының ұзындығын және ESL-ді азайтады
Кішірек пакет, бірдей капаситет және салыстырмалы конструкция	Жиі ESL-ді азайтады және SRF-ті көтереді
Пакет өлшемі өздігінен	SRF-ті өздігінен анықтамайды

Murata, салыстырмалы конструкцияларда бірдей капаситетке ие MLCC-лар үшін, кішірек корпустар төмен ESL деңгейін және жоғары SRF деңгейін көрсететінін көрсетеді. Murata сондай-ақ қысқа және кең ішкі электрод құрылымдары ESL-ді азайтатынына түсінік береді. Бұл пайдалы жобалау тенденциясы, бірақ оны әрбір MLCC отбасына және конструкциясына әмбебап ереже ретінде қарастыруға болмайды. _[1] Стандарт тұғыр өлшемдері мен EIA-дан метрлік өлшем кодтарына қатысты, MLCC өлшем кестесіне 01005-тен 2220-ге дейін қараңыз.

Керісінше геометриялы конденсаторлар әдейі осы принципті пайдаланады. TDK, кең және қысқа ток жолының ESL-ді азайтатынын түсіндіреді, ал үш терминалдық өткізу құрылымдары электр кондукторы мен жер арасындағы жолды қысқартып, ESL-ді одан әрі азайта алады. [5] Төмен индукция үшін пакеттер мен конденсатор құрылымдарын таңдауға қатысты қосымша ақпарат алу үшін төмен ESL MLCC таңдау нұсқаулығына жүгініңіз.

Бірнеше капаситет мәндерін параллель қосу да барлық жиілік ауқымында төмен кедергі кепілдік бермейді. Түрлі резонанстары бар конденсаторлар паразиттік индуктивтілікпен өзара әрекеттесіп, антирезонанс кедергі шыңдарын жасай алады. TDK мен Murata бұл әсерді оба сипаттайды. _[4][9]

Осы себептен MLCC-ларды нақты бөлшек нөмірлері үшін өндірушінің нақты кедергі-жиілік мәліметтерін салыстыру арқылы таңдаңыз, және бірнеше конденсатор бірге қолданылғанда, толық желінің кедергісін бағалаңыз.

Диэлектрик түрі, ESR және жоғары жиіліктерде жоғалтулар

MLCC диэлектрик жүйесі диэлектрик жоғалтуларына, капаситет тұрақтылығына, Q факторы, тиімді капаситетке және ESR-ге әсер етеді, бірақ диэлектрик түрі жоғары жиілікті өнімділікті бақылайтын жалғыз фактор емес.

C0G/NP0 конденсаторлары I класстың диэлектриктері, ал X5R және X7R конденсаторлары II класстың диэлектриктері. TDK I класс материалдарының тұрақты сыйымдылық пен төмен жоғалту қамтамасыз ететінін, ал II класс материалдарының температура мен қолданылған кернеуге үлкен тәуелділігін ұсынатындығын атап өтеді. _[3]

Ерекшелігі	C0G / NP0	X7R / X5R
Диэлектрик классы	I класс	II класс
Диэлектрик жоғалту	Өте төмен	Жалпы жоғары және бір бөліктен тәуелді
Q фактор	Жалпы жоғары	Жалпы төмен
Кернеуге тәуелділік	Өте аз	Маңызды болуы мүмкін
Температура тұрақтылығы	Өте жоғары	C0G-тан төмен
Сыйымдылық тығыздығы	Төмен	Көп жоғары
Жалпы қолданбалар	RF, резонанстық, баптау, сәйкестендіру, дәлдік	Декуплинг, айналып өту, тегістеу, массивті керамикалық сыйымдылық

Murata II класс жоғары-диэлектрлік-Констант материалдарының конденсаторлы облыста жоғары ESR көрсететінін түсіндіреді, себебі олар ферроэлектр материалдарын қолданады, ал I класс температураны өтейтін материалдар параэлектр керамикаларын пайдаланып, айтарлықтай төмен диэлектрик жоғалтуды қамтамасыз етеді. Murata, сонымен қатар, резонанс маңайында және жоғары жиіліктерде ESR электродтың кедергісі, электрод мөлшері, қабаттар саны, тері әсері және жақындық әсеріне тәуелді екендігін атап өтеді. [1]

Q сонымен қатар конденсатор жоғалтуымен байланысты. TDK Q-ты диссипация факторының (tan δ) кері ретінде анықтайды, сондықтан жоғары Q төмен жоғалтуды көрсетеді. _[3]

Бұл сипаттамалар төмен жоғалтатын I класс конденсаторларын резонанстық және жоғары жиілікті схемаларда әсіресе пайдалы етеді. TDK нақты I класстың C0G MLCC-ны резонанстық конденсаторлар үшін қолайлы деп таниды, себебі олардың төмен ESR қуат жоғалтуды азайтады. Murata-ның жоғары-Q MLCC отбасы да резонанстық, баптау және кедергі-матч схемалары үшін жасалған. _[7],[8]

X5R және X7R берілген өлшем үшін едәуір көп сыйымдылықты қамтамасыз етеді, бірақ олардың тиімді сыйымдылығы DC ауытқу кезінде азаюы мүмкін. Murata C0G типті параэлектр MLCC-lerin кернеуге байланысты сыйымдылық өзгерістерін аз көрсететінін растайды, ал X5R/X7R жоғары-диэлектрлік-Констант өнімдерінде кернеуге тәуелділігі айтарлықтай көп болуы мүмкін. _[6]

Сондықтан, диэлектрик белгілемесін тек қана дәл ESR, SRF, немесе бөлшектің кедергісін болжау үшін пайдалануға болмайды. Белгілі өндірушінің кедергісін, ESR, тиімді-сыйымдылығын, кернеуін және жиілік деректерін тексеріңіз.

PCB жастықшалары, сызбалар, өткізуіштер және схемадағы резонанс

Компоненттің SRF өндіруші анықтаған өлшеу немесе модельдеу жағдайларында MLCC-мен байланысты резонансты сипаттайды. Дегенмен, конденсатор PCB-ге орнатылғаннан кейін, электрлік жолда жастықшалардан, сызбалардан, өткізгіштерден, қуат-ұшақ байланыстарынан, жер-ұшақ байланыстарынан, және толық ток-луп геометриясынан индуктивтілік те бар.

Murata декуплинг лупының жалпы индуктивтілігі MLCC-ның ESL-ін және конденсаторды жүктемеге қосатын PCB үлгілері мен өткізгіштерінің индуктивтілігін қамтитынын түсіндіреді. Жоғары жиіліктерде, бұл сым индуктивтілігі жалпы кедергінің маңызды бөлігін құрауы мүмкін. _[4]

PCB элементі	Жоғары жиілік әсері
Жастықшалар және қысқа байланыстар	Орнату индуктивтілігін қосады
Ұзын сызбалар	Байланыс индуктивтілігін арттырады
Тар сызбалар	Ең кең жолдармен салыстырғанда сым индуктивтілігін жалпы арттырады
Өткізгіштер	Конденсатор мен ішкі ұшақтар арасындағы индуктивтілікті қосады
Үлкен ток-луп ауданы	Луп индуктивтілігін арттырады
Қуат және жер пландары	Толық кедергі желісінің бір бөлігіне айналады

Murata конденсатордың байланыс жолын қысқартып, кеңейтіп, конденсаторды жүктемеге жақын орналастырып, ток-луп аумағын азайтып, жалпы луп индуктивтілігін минимизациялау үшін өткізгіштерді орналастыруды ұсынады. Murata, нақты электроника индуктивтілігі PCB үлгілерін және жүктеме IC мен декуплинг конденсаторы арасындағы өткізгіштерді қамтитынын айтады. _[4]

TDK соған ұқсас жер үлгілері мен өткізгіштер өте төмен ESL конденсаторларының өнімділігін шектей алатынын көрсетеді. TDK үш терминалдық фильтрлері үшін паразиттік әсерлерді азайту үшін бірнеше жер өткізгіштерін және қысқа өткізгіш жолдарды ұсынады. [5] Бұл жайлау ескертулері әсіресе жоғары токты цифрлық қуат рельсінде маңызды болып келеді. Нақты мысал үшін, қараңыз AI сервері қуат рельстері үшін MLCC декуплинг және төмен-ESL дизайны.

Деректер парағы SRF өндірушінің өлшеу немесе модельдеу шарттарындағы тәуелсіз MLCC-ны сипаттайды. Орнатылғаннан кейін, алаңдар, сызбалар, өткелдер, жазықтықтар, құрылғы-қап жолдары және цикл геометриясы индуктивтілік қосып, схемадағы резонансты өзгертеді. Компоненттің белгіленген SRF-ін өзгеріс ретінде қарастырмай, орнатылған желіні бағалаңыз.

MLCC Импедансын және SRF қисықтарын конденсаторды таңдау үшін оқу

Өндірушінің импеданс-жиілік қисығын дәл MLCC бөлшек нөмірі үшін оқу қажет, себебі ұқсас сыйымдылық, кернеу рейтинг және қаптама өлшеміндегі өнімдер әртүрлі ESR, ESL және өзіндік резонанс жиіліктеріне ие болуы мүмкін.

Конденсатор басқаруы тиіс жұмыс, ауысу, гармоникалық немесе шудың жиілігінен бастаңыз. Сол жиілікті горизонталь осьте табып, импеданс магнитудасын, |Z|, оқыңыз. Конденсаторды таңдау кезінде ең жоғары номиналды сыйымдылық немесе SRF-ті таңдаудың орнына, бірдей жиіліктегі кандидат бөлшектерді салыстырыңыз. _[1]

Келесі, импеданс қисығының минималды нүктесін табыңыз. Бұл нүкте капаситивті және индуктивті реактивтіліктердің негізінен қысқартылатын, ал ESR-дың минималды импедансға ықпалы күшті болған SRF шамасын көрсетеді. Егер фазалық қисық қолжетімді болса, фазаның шамамен 0°-дан өткен жерін тексеріңіз. Бұл ауысымнан төмен, MLCC негізінен капаситивті; одан жоғары, MLCC негізінен индуктивті. SRF жоғары болғанда MLCC автоматты түрде қолдануға жарамсыз емес, бірақ оның нақты импедансы мен фазасы схеманың талаптарына сәйкес келуі тиіс.

Қисықтарды салыстырмас бұрын, көрсетілген температура, DC ауысу, және AC өлшеу деңгейін растаңыз. Қолданылған DC кернеуі X5R және X7R MLCC-лардың тиімді сыйымдылығын төмендетуі мүмкін, бұл олардың импеданс қисықтары мен SRF-ларын жылжытады. 0 В DC ауысуда өлшенген кішкентай сигналының қисығы схеманың нақты кернеуі немесе діріл шарттарындағы жұмысын көрсетпейтін болуы мүмкін. Ж published қисықта өлшенген, модельденген, есептелген немесе стандартты деректер бар-жоғын да анықтаңыз. _{[3], [6]}

Мүмкіндігінше салыстырылатын шарттарда алынған қисықтарды пайдаланыңыз. Fixture, референция-жазықтық, және орнату айырмашылықтары жоғары жиілік өлшемдеріне әсер етуі мүмкін. MLCC орнатылғаннан кейін, PCB алаңдары, сызбалар, өткелдер, жазықтықтар, және ток-цикл геометриясы индуктивтілік қосып, тәуелсіз компонент SRF-інен өзгеше схемалық резонансты шығара алады. Соңғы таңдау, демек, схеманың нақты электрлік және орнату шарттарындағы мақсатты жиіліктерде талап етілген импедансқа сәйкес келуі тиіс._[4],[5]