Effets de l'ESL sur les performances du condensateur

Les condensateurs sont largement utilisés dans les circuits électroniques pour le stockage et la gestion de l'énergie. Les applications typiques incluent le filtrage, le découplage, le stockage d'énergie et le réglage. Certaines applications telles que le découplage exigent une faible impédance, une capacité de courant d'ondulation élevée et d'excellentes performances de surtension. L'inductance est l'un des paramètres clés à prendre en compte lors de la sélection d'un condensateur pour les circuits numériques à grande vitesse.

En théorie, les condensateurs sont généralement considérés comme des composants idéaux. Cependant, les condensateurs pratiques ne sont pas idéaux et contiennent des éléments parasites qui peuvent affecter considérablement leurs performances. Ces caractéristiques non idéales dépendent principalement des matériaux et des méthodes de construction. Le modèle de circuit équivalent d'un condensateur pratique se compose d'une résistance série équivalente (ESR), d'une inductance série équivalente (ESL) et d'une résistance d'isolement. Les électrodes et les conducteurs d'un condensateur contribuent au composant résistif et au composant inductif tandis que le matériau diélectrique contribue à la résistance d'isolement.

L'ESR est un composant résistif qui provoque une perte d'énergie sous forme de chaleur. D'autre part, l'ESL provoque l'accumulation d'un champ magnétique dans les appareils. Cette accumulation de champ magnétique interfère avec la façon dont le courant monte jusqu'au pic et retombe. Généralement, l'inductance parasite et la résistance interne sont des problèmes majeurs dans les circuits numériques à grande vitesse. À mesure que les vitesses de fonctionnement des circuits numériques augmentent, la demande de condensateurs offrant de meilleures performances et efficacité continue de croître. Une façon d'améliorer les performances des condensateurs consiste à réduire l'inductance interne. Une réduction considérable de l'inductance est obtenue en utilisant des matériaux appropriés et des techniques de construction appropriées.

La nécessité de maintenir des performances élevées, de miniaturiser le circuit et de contrôler les coûts est le principal moteur des nouveaux types de condensateurs. En utilisant des technologies de pointe, les fabricants produisent de nouveaux types de condensateurs pour répondre aux exigences de performance des circuits électroniques d'aujourd'hui. Les condensateurs hautes performances avec des ESL très faibles remplacent de plus en plus les condensateurs conventionnels en céramique, au tantale et en aluminium. Les condensateurs polymères au tantale et les condensateurs polymères aluminium font partie des nouvelles solutions pour les applications de découplage dans les circuits hautes performances. Ces condensateurs à très faible inductance occupent beaucoup moins de place et leur coût de production est raisonnable.

INDUCTANCE PARASITE DANS LES CONDENSATEURS CÉRAMIQUES
Les condensateurs céramiques sont couramment utilisés dans les circuits électroniques pour les applications de découplage. Le modèle de circuit équivalent d'un condensateur céramique multicouche typique se compose de trois éléments :le condensateur, la résistance série et l'inductance parasite. Pour les applications de découplage dans les systèmes numériques à grande vitesse, l'inductance d'un MLCC est un facteur important. En effet, la tension d'ondulation dépend de l'inductance. La boucle de courant est la caractéristique physique clé qui détermine l'inductance série équivalente. ESL augmente avec une augmentation de la taille de la boucle actuelle.

Dans les condensateurs à puce, l'inductance série équivalente est largement déterminée par la distance entre les terminaisons. Étant donné que les condensateurs avec une boucle de courant plus petite ont des inductances plus faibles, la réduction de la distance entre les terminaisons d'un condensateur permet de réduire la taille de la boucle de courant. L'utilisation de boucles de courant opposées permet de réduire davantage l'inductance série équivalente dans les condensateurs montés en surface. Une réduction significative de l'inductance peut être obtenue en optimisant l'architecture d'un condensateur à montage en surface.

Dans les condensateurs de dérivation, la fréquence de résonance dépend de l'inductance parasite. L'effet de cette composante parasite devient plus répandu dans les applications à haute fréquence. Il est donc essentiel pour les ingénieurs de conception de mesurer l'inductance des condensateurs pour les circuits numériques à grande vitesse.

Dans les condensateurs de découplage montés sur PCB, l'inductance est principalement déterminée par la structure du plot de montage. Le courant circule dans la boucle décrite par ces trois éléments :la hauteur du condensateur, l'étalement du plan de puissance et la disposition des plots. Étant donné que l'inductance équivalente du circuit augmente avec l'augmentation de la taille de la boucle de courant, elle est minimisée en veillant à ce que les vias d'alimentation (Vdd) et de masse (Gnd) soient proches les uns des autres. D'autres moyens de minimiser l'inductance incluent la sélection d'une conception de disposition de tampon appropriée et l'utilisation de vias plus courts.

Les condensateurs à haute capacité ont tendance à avoir des ESL élevés, et vice versa. Lors de la conception de circuits numériques, les ingénieurs doivent prendre en compte à la fois la capacité et l'inductance série équivalente. Dans les circuits électroniques à grande vitesse, des condensateurs céramiques multicouches à faible inductance sont placés à proximité de la charge. Par rapport aux condensateurs conventionnels au tantale et à l'aluminium, les MLCC ont une inductance série équivalente inférieure. Si l'espace n'est pas un problème, les MLCC peuvent être connectés en parallèle pour fournir une inductance série équivalente très faible.

Les technologies MLCC offrent un grand niveau de flexibilité de conception pour supprimer son auto-inductance par diverses configurations et solutions de conception. Image de droite :Condensateurs céramiques à faible inductance LICC. Source et crédit de l'image en vedette :AVX Corporation.

INDUCTANCE PARASITE DANS LES CONDENSATEURS AU TANTALE
Les condensateurs au tantale sont couramment utilisés dans les applications qui exigent une fiabilité et une efficacité volumétrique élevées. Tout comme les autres types de condensateurs, ces condensateurs ont des ESR et ESL parasites. Dans les condensateurs au tantale, les courants de conduction circulent à travers des conducteurs de taille finie. L'inductance parasite des condensateurs au tantale est due à ces conducteurs. La valeur de capacité d'un condensateur au tantale a un effet presque négligeable sur l'inductance parasite. De plus, contrairement à l'ESR, l'ESL d'un condensateur au tantale reste assez constant sur une large plage de fréquence. Dans les condensateurs au tantale, l'inductance série équivalente est minimisée en utilisant des terminaisons face vers le bas. L'utilisation de ces terminaisons permet de réduire la zone de boucle, réduisant ainsi l'inductance parasite.

Traditionnellement, les condensateurs au tantale sont limités aux applications basse fréquence. Les performances impressionnantes des condensateurs au tantale à faible inductance face cachée (sous tab) ont créé de nouvelles applications pour les condensateurs au tantale dans les réseaux de distribution d'énergie (PDN). Pour les applications de découplage dans les circuits numériques hautes performances, les condensateurs polymères au tantale à faible inductance fonctionnent mieux que les condensateurs électrolytiques en céramique et en aluminium conventionnels. D'autres caractéristiques qui font des condensateurs au tantale à faible inductance un choix approprié pour les circuits hautes performances incluent une faible ESR et une capacité modérément élevée.

crédit image :Kemet T528 ; le document technique de référence est disponible ici.

INDUCTANCE PARASITE DANS LES CONDENSATEURS ELECTROLYTIQUES EN ALUMINIUM
Pendant longtemps, les concepteurs de circuits électroniques ont utilisé des condensateurs électrolytiques en aluminium humide pour les applications de découplage en vrac. Cependant, l'ESL et l'ESR relativement élevés de ces condensateurs ralentissent leur réponse et diminuent leurs performances. Les condensateurs en aluminium polymère ont de meilleures caractéristiques de performance et remplacent de plus en plus les condensateurs en aluminium humide dans les applications de découplage en vrac. Contrairement aux condensateurs en aluminium conventionnels, ces nouveaux condensateurs utilisent un polymère conducteur comme électrolyte. De plus, les performances des condensateurs en métal de valve permettent d'utiliser moins de composants, économisant ainsi de l'espace et réduisant les coûts.

Dans les ordinateurs et autres circuits numériques hautes performances, les condensateurs polymères en aluminium et les condensateurs polymères au tantale sont utilisés pour les applications de découplage en masse. En plus d'un ESL très faible, ces condensateurs en métal de valve ont un ESR très faible, un faible encombrement, une efficacité volumétrique élevée et une capacité modérément élevée. Cependant, par rapport aux condensateurs en aluminium conventionnels, les condensateurs en métal de valve sont plus chers à produire.

CONCLUSION
Les condensateurs sont des éléments fondamentaux dans la plupart des circuits numériques. Les condensateurs de découplage sont largement utilisés dans les puces mémoire à grande vitesse et les microprocesseurs. Alors qu'un condensateur parfait est capable de transférer instantanément toute son énergie stockée à une charge, un vrai condensateur ne le peut pas.

Les composants parasites d'un vrai condensateur empêchent le transfert instantané de l'énergie stockée vers une charge. En tant que tel, le modèle de circuit équivalent d'un condensateur réel a des composants capacitifs, résistifs et inductifs. Ces composants RLC sont communément appelés capacité série équivalente, résistance série équivalente et inductance série équivalente.

La vitesse à laquelle l'énergie est transférée à une charge est fortement déterminée par l'inductance série équivalente d'un condensateur. Cette vitesse augmente avec une diminution de l'ESL. Les circuits numériques d'aujourd'hui ont des vitesses de commutation plus élevées et nécessitent des condensateurs à faible inductance. La demande de condensateurs à très faibles inductances continue de croître à mesure que les vitesses de commutation augmentent.

Les fabricants font progressivement progresser la technologie de fabrication de condensateurs pour répondre aux performances exigées par les circuits numériques haute vitesse d'aujourd'hui.