อะไรทำให้เกิดการเหนี่ยวนำอนุกรมของตัวเก็บประจุ


12

การทำวิจัยบางอย่างในการเลือกตัวเก็บประจุสำหรับการใช้งานความถี่สูงแนวคิดของการเหนี่ยวนำชุดเทียบเท่าขึ้นมามาก เห็นได้ชัดว่าตัวเก็บประจุทั้งหมดมีการเหนี่ยวนำกาฝากนี้ซึ่งปรากฏในชุดที่มีความจุขององค์ประกอบ หาก ESL สูงในความถี่สูงปฏิกิริยาการเหนี่ยวนำนี้สามารถยกเลิกการเกิดปฏิกิริยาแบบ capacitive และฝาปิดทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานที่บล็อก DC

แต่ทำไม ESL ถึงมีความสำคัญ? แน่นอนว่าแคปมีสายไฟ แต่ฉันจะจินตนาการว่าส่วนที่เหลือของวงจรมีสายมากขึ้นและดังนั้นการเหนี่ยวนำกาฝากที่สูงกว่ามากซึ่งจะเป็นปัญหาที่ใหญ่กว่าการเป็นผู้นำสั้น ๆ ไม่เช่นนั้นแคปจะเป็นเพียงแผ่นที่มีอิเล็กทริกระหว่างนั้นดังนั้นมันเกี่ยวกับพวกมันที่ทำให้เรากังวลเกี่ยวกับ ESL มากแค่ไหน

เมื่อพูดถึงตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าฉันพบคำอธิบายหนึ่ง: มันอธิบายว่าเนื่องจากฝาเป็นแผ่นฟอยล์ที่รีดเป็นแผ่นยาวจึงมีการเหนี่ยวนำจำนวนมากอย่างแน่นอนเนื่องจากม้วนฟอยล์ทำหน้าที่คล้ายม้วน แต่ฉันไม่คิดว่ามันจะสมเหตุสมผล: มันไม่เหมือนกับการเดินทางในปัจจุบันตามฟอยล์! กระแสสร้างสนามไฟฟ้าในหนึ่งฟอยซึ่งสร้างกระแสอีกครั้งในอีกฟอยด์ แต่ฟิลด์นี้จะปรากฏข้ามแผ่นฟอยล์ไม่ใช่ตามดังนั้นคำอธิบายนี้จึงไม่สมเหตุสมผลสำหรับฉัน

ดังนั้นใครบางคนสามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ให้ฉันโดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของตัวเก็บประจุเซรามิกและอิเล็กโทรไลติก?


3
คุณกำลังจัดการกับการกระจัดปัจจุบันไม่เป็น "ของจริง" ในปัจจุบัน?
สะสม

คำตอบ:


13

การปฏิเสธความรับผิดชอบ:ในขณะที่ฉันชื่นชม OP ยอมรับคำตอบของฉันแทนคำตอบที่ได้รับการโหวตมากที่สุดจากปีเตอร์สมิ ธ โปรดแน่ใจว่าได้อ่านเขาด้วยเนื่องจากชัดเจนและเป็นประโยชน์ คลิกที่นี่!


ฝาเซรามิกและแคปอิเล็กโทรไลต์มีลักษณะแตกต่างกันมากและใช้สำหรับสิ่งที่แตกต่างกันมาก

ฝาเซรามิคมี ESL ต่ำมากโดยปกติจะมีค่า pH เพียงไม่กี่ 100 ค่าสำหรับแพ็คเกจที่มีขนาดเล็กและทันสมัย ESL แบบฝาไฟฟ้าด้วยไฟฟ้ามีขนาดใหญ่กว่านั้นมาก

ในทำนองเดียวกันความจุฝาเซรามิกนั้นต่ำกว่าฝาอิเล็กโทรไลต์มาก

ข้อเท็จจริงทั้งสองนี้มารวมกันทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมากในความถี่เรโซแนนท์ของหมวก แคปอิเล็กโทรไลติกจะสะท้อนแสงที่ความถี่ 100 เฮิร์ตซ์ในขณะที่เซรามิกที่ดีจะสะท้อนที่ความถี่ไม่กี่เมกะเฮิร์ตซ์

มักใช้แคปอิเล็กโทรไลติกเมื่อคุณจัดการกับความถี่ที่มีค่าต่ำเช่นการปรับให้เรียบของแหล่งจ่ายไฟหรือแอปพลิเคชันเสียง

เซรามิกส์จะใช้ในที่ที่คุณไม่สามารถประนีประนอมกับการตอบสนองความถี่ดังนั้นสำหรับตัวกรองความถี่สูงหรือเพื่อกรองอุปทานของอุปกรณ์ดิจิตอลความถี่สูงเช่นไมโครคอนโทรลเลอร์

อย่างที่คุณบอกว่าวงจรทำจากสายไฟมักจะยาวกว่าที่สายนำ นี่คือความจริงและเป็นเหตุผลที่ฝาเซรามิกมักจะวางห่างจากจุดที่มันต้องกรอง / อุปทาน ไม่กี่มม. บน PCB ขึ้นอยู่กับความกว้างของแทร็กนั้นมีค่าความเป็นตัวเหนี่ยวนำเพียงไม่กี่ 100 ค่าดังนั้นคุณจึงเพิ่มสิ่งที่ฝาปิดให้เป็นสองเท่า

ที่ความถี่สูงหมวกไม่ได้ทำหน้าที่ต้านทาน แต่เป็นตัวเหนี่ยวนำและความต้านทานของมันจะเพิ่มขึ้นตามความถี่

เกี่ยวกับที่มาของการเหนี่ยวนำฉันไม่แน่ใจว่าเป็นไปได้ที่จะได้รับคำตอบที่น่าพอใจ คุณบอกว่าปัจจุบันไม่ได้เดินทางข้ามฟอยล์ แต่สิ่งนี้ไม่เป็นความจริง พวกมันมีศักยภาพเท่ากันและกระแสไม่ได้เดินทางไปตามกระแสที่ DC เท่านั้น จะเกิดอะไรขึ้นที่ 1 MHz และ 1 GHz กระแสบางอย่างไหลผ่านฟอยล์

เซรามิกดีกว่ามากพวกเขาถูกสร้างขึ้นมาเหมือนหวีคู่:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6e/MLCC-Principle.svg/1920px-MLCC-Principle.svg.png ลิงค์ไปยังแหล่งที่มา

ด้วยวิธีนี้ "เส้นทางที่ยาวที่สุด" จะสั้นกว่ามากดังนั้นตัวเหนี่ยวนำกาฝากจึงต่ำกว่ามาก หากคุณดู ESL สำหรับเซรามิกคุณจะพบว่าตัวเลขนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของบรรจุภัณฑ์ยิ่งมีขนาดบรรจุภัณฑ์ที่เล็กลงเท่าใด ESL ก็จะยิ่งต่ำลง


21

เมื่อกระแสไหลผ่านจะมีการนิยามสนามแม่เหล็กรอบ ๆ สิ่งนี้นำไปสู่การเหนี่ยวนำด้วยตนเองสำหรับตัวนำใด ๆ ที่มีกระแสต่างกัน

เนื่องจากตัวเก็บประจุเป็นความต้านทานต่ำที่ AC (จำนวนที่แน่นอนขึ้นอยู่กับความถี่ของหลักสูตร) ​​ตัวเก็บประจุที่แท้จริงจะมีลักษณะดังนี้:

C1 เป็นตัวเก็บประจุเล็กน้อย R1 คือความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่ากัน L1 เป็นตัวเหนี่ยวนำอนุกรมที่เทียบเท่ากันและ R2 คือความต้านทานการรั่วไหล

แผนผัง

จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab

คุณจะสังเกตได้ว่าตอนนี้เรามีวงจรเรโซแนนท์แบบหน่วง ด้านล่างด้วยตนเอง resonance มันเป็น capacitive ที่ resonance มันเป็นทานและเหนือมันเป็นอุปนัย

มูลค่าของ ESL ขึ้นอยู่กับวัสดุและขนาดของอุปกรณ์ สำหรับอุปกรณ์รูปทรงเรขาคณิตแบบย้อนกลับในแพ็คเกจเมาท์พื้นผิว 0204 มันอาจจะต่ำถึง 300pH; เซรามิกเมาท์พื้นผิว 0402 ทั่วไปประมาณ 680pH

สำหรับอุปกรณ์แยกและเชื่อมต่อนี้มีความสำคัญในโลกความเร็วสูง

ลองคำนวณอย่างรวดเร็ว ถ้าฉัน decoupling อุปกรณ์ที่มีอัตราการเปลี่ยนภายในของ 200 picoseconds (ไม่ได้ทุกเรื่องแปลกและมีสิ่งประดิษฐ์ที่ความถี่ 2.5GHz) และผมใช้อุปกรณ์ 0402 0.1uF แล้วความต้านทานที่เกิดขึ้นจริงเป็นเรื่องเกี่ยวกับ 4.3 โอห์มและมันก็เป็นอุปนัย

คุณอ่านถูกต้องแล้ว; ตัวเก็บประจุตอนนี้ทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำ

พื้นผิวทั่วไป ESLs ติด:

0402 680pH: 0603 ประมาณ 900pH: 0805 ประมาณ 1.2nH

แทร็กขนาด 1 นิ้วที่ 4 พระองค์ (ค่อนข้างธรรมดา) มีความเหนี่ยวนำประมาณ 5nH สำหรับการอ้างอิง นี่คือเหตุผลที่อุปกรณ์ decoupling จำเป็นต้องอยู่ใกล้กับหมุดพลังงานจริงที่ถูกแยกออก อุปกรณ์ที่มีขนาดแม้แต่ 1/2 นิ้วที่ความถี่เหล่านี้อาจไม่มีอยู่เช่นกัน

การเหนี่ยวนำสำหรับการติดตาม PCB ถือว่ามันอยู่เหนือระนาบ; ค่าที่แม่นยำจะแตกต่างกันไปตามระยะทางไปยังระนาบ ฉันพบว่าค่าข้างต้นเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี (อนุรักษ์นิยม) สำหรับการออกแบบ PCB ความเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจริงนั้นขึ้นอยู่กับระยะทางพา ธ ปัจจุบันทั้งหมดของลูป

ดังนั้นเหตุผลสำหรับ ESL ฟิสิกส์.


1
+1 สำหรับย่อหน้าแรกเพียงอย่างเดียวนั่นคือแนวคิดหลักที่นี่
Dave Tweed

@ Peter คือแทร็ก 1 นิ้วเหนือระนาบกราวน์หรือไม่? ด้วยกฎของหัวแม่มือที่มีประโยชน์ของ "1 nanoHenry ต่อนิ้วของสายไฟ" (ไม่สนใจการบันทึกที่ไม่รุนแรง) ฉันคาดว่าแทร็ก 1 นิ้วในอากาศไม่ใกล้กับเครื่องบินที่ใหญ่พอที่จะมี 25 นาโนนาโน การลดจาก 25nH ถึง 5nH ---- ถ้าใกล้กับเครื่องบิน ---- ที่ลดลง 5: 1 เป็นเรื่องเกี่ยวกับสิ่งที่ฉันใช้ในการวางสายระนาบเป็นเวลาหลายปี อีกครั้งคำสั่งของคุณ "มีประมาณ 5nH" มีไว้สำหรับ 1 "ร่องรอยกว้าง 0.004 เป็นเครื่องบินหรือไม่
analogsystemsrf

1
@analogsystemsrf - ปรับปรุงคำตอบแล้ว บนเครื่องบิน
ปีเตอร์สมิ ธ

@ Peter ขอบคุณ ฉันจะเริ่มใช้การลดแบบ 5: 1 (บนเครื่องบิน)
analogsystemsrf

2
ปัญหานี้เป็นสาเหตุที่ฉันเปลี่ยนจาก EE เป็นวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ ฉันลองดูหนังสือจากห้องสมุด "การออกแบบศิลปะดิจิตอลความเร็วสูง: คู่มือเวทมนตร์ดำ" บทที่หนึ่งอธิบายถึงผลกระทบนี้ คำตอบของฉัน: "ขันนั่น!" ตอนนี้ฉันได้โปรแกรมคอมพิวเตอร์หลังจากที่มีคนอื่นหารายละเอียดทั้งหมดเหล่านี้เพื่อฉัน!
Cort Ammon
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.