ESL 对电容器性能的影响

电容器广泛用于电子电路中以存储和管理能量。典型应用包括滤波、去耦、能量存储和调谐。去耦等一些应用需要低阻抗、高纹波电流能力和出色的浪涌性能。电感是高速数字电路选择电容时需要考虑的关键参数之一。

理论上，电容器通常被认为是理想的元件。然而，实用的电容器并不理想，并且包含会显着影响其性能的寄生元件。这些非理想特性主要取决于材料和施工方法。实际电容器的等效电路模型由等效串联电阻 (ESR)、等效串联电感 (ESL) 和绝缘电阻组成。电容器的电极和引线贡献电阻分量和电感分量，而介电材料贡献绝缘电阻。

ESR 是一种电阻元件，会导致一些能量以热量的形式损失。另一方面，ESL 会导致磁场在设备中积聚。这种磁场的积累会干扰电流上升到峰值和回落的方式。通常，寄生电感和内阻是高速数字电路中的主要问题。随着数字电路运行速度的提高，对具有更好性能和效率的电容器的需求不断增长。提高电容器性能的一种方法是减少内部电感。通过使用正确的材料和合适的构造技术，可以显着降低电感。

保持高性能、小型化电路和控制成本的需要是新型电容器的主要驱动力。利用先进技术，制造商正在生产新型电容器以满足当今电子电路的性能要求。具有极低 ESL 的高性能电容器正越来越多地取代传统的陶瓷、钽和铝电容器。钽聚合物电容器和铝聚合物电容器是高性能电路中去耦应用的一些新解决方案。这些极低电感电容占用的空间要小得多，而且生产成本也很合理。

陶瓷电容器中的寄生电感
陶瓷电容器通常用于电子电路中的去耦应用。典型多层陶瓷电容器的等效电路模型由三个元件组成：电容器、串联电阻和寄生电感。对于高速数字系统中的去耦应用，MLCC 的电感是一个重要因素。这是因为纹波电压取决于电感。电流回路是决定等效串联电感的关键物理特性。 ESL随着电流回路尺寸的增加而增加。

在片式电容器中，等效串联电感很大程度上取决于端子之间的距离。由于具有较小电流回路的电容器具有较低的电感，因此减小电容器端子之间的距离有助于减小电流回路的尺寸。使用相反的电流回路有助于进一步降低表面贴装电容器中的等效串联电感。通过优化表面贴装电容器的架构，可以显着降低电感。

在旁路电容器中，谐振频率取决于寄生电感。这种寄生成分的影响在高频应用中变得更加普遍。因此，对于设计工程师来说，测量高速数字电路电容器的电感至关重要。

在PCB贴装去耦电容中，电感主要由贴装焊盘结构决定。电流流经这三个要素所描述的环路：电容器高度、电源平面扩展和焊盘布局。由于等效电路电感随着电流回路尺寸的增加而增加，因此通过确保电源 (Vdd) 和接地 (Gnd) 过孔彼此靠近可以将其最小化。其他最小化电感的方法包括选择合适的焊盘布局设计和使用较短的过孔。

高容量电容器往往具有高 ESL，反之亦然。在设计数字电路时，工程师应该同时考虑电容和等效串联电感。在高速电子电路中，低电感多层陶瓷电容器靠近负载放置。与传统的钽和铝电容器相比，MLCC 具有更低的等效串联电感。如果空间不是问题，MLCC 可以并联连接以提供非常低的等效串联电感。

MLCC 技术提供了极大的设计灵活性，以通过各种设计配置和解决方案抑制其自感。右图：低电感陶瓷电容器 LICC。特色图片来源和来源：AVX Corporation。

钽电容器中的寄生电感
钽电容器通常用于要求高可靠性和容积效率的应用中。就像其他类型的电容器一样，这些电容器具有寄生 ESR 和 ESL。在钽电容器中，传导电流流过有限尺寸的导体。钽电容器的寄生电感是由这些导体造成的。钽电容器的电容值对寄生电感的影响几乎可以忽略不计。此外，与 ESR 不同的是，钽电容器的 ESL 在很宽的频率范围内保持相当恒定。在钽电容器中，等效串联电感通过使用面朝下端接被最小化。使用这些终端有助于减少环路面积，从而减少寄生电感。

传统上，钽电容器仅限于低频应用。面朝下 (undertab) 低电感钽电容器令人印象深刻的性能为钽电容器在配电网络 (PDN) 中创造了新的应用。对于高性能数字电路中的去耦应用，低电感钽聚合物电容器的性能优于传统的陶瓷和铝电解电容器。使低电感钽电容器成为高性能电路的合适选择的其他特性包括低 ESR 和适中的高电容。

图片来源：Kemet T528；可在此处获取参考技术论文。

铝电解电容器中的寄生电感
长期以来，电子电路设计人员一直将湿铝电解电容器用于批量去耦应用。然而，这些电容器相对较高的 ESL 和 ESR 会减慢它们的响应并降低它们的性能。铝聚合物电容器具有更好的性能特性，它们越来越多地在体去耦应用中取代湿式铝电容器。与传统的铝电容器不同，这些新型电容器使用导电聚合物作为电解质。此外，阀金属电容器的性能允许使用更少的元件，从而节省空间并降低成本。

在计算机和其他高性能数字电路中，铝聚合物电容器和钽聚合物电容器用于体去耦应用。除了非常低的 ESL，这些阀金属电容器还具有非常低的 ESR、占用空间小、高容积效率和中等高的电容。然而，与传统的铝电容器相比，阀金属电容器的生产成本更高。

结论
电容器是大多数数字电路中的基本元件。去耦电容器广泛用于高速存储芯片和微处理器。完美的电容器能够将其所有存储的能量瞬间转移到负载，而真正的电容器则不能。

实际电容器中的寄生元件会阻止存储的能量瞬间转移到负载。因此，真实电容器的等效电路模型具有电容性、电阻性和电感性分量。这些RLC元件通常被称为等效串联电容、等效串联电阻和等效串联电感。

能量传输到负载的速度很大程度上取决于电容器的等效串联电感。该速度随着 ESL 的降低而增加。今天的数字电路具有更高的开关速度并需要低电感电容器。随着开关速度的提高，对极低电感电容器的需求持续增长。

制造商正在逐步推进电容器制造技术，以满足当今高速数字电路对性能的要求。