真正导致电容器串联电感的原因是什么?

电器工程 电容器 电感
2022-01-05 14:58:49

在为高频应用选择电容器做一些研究时,等效串联电感的概念出现了很多。显然,所有电容器都有这种寄生电感,它与元件的电容串联。如果 ESL 很高,在高频下,这个感抗甚至可以抵消容抗,而电容本质上是一个阻隔直流的电阻器。

但为什么 ESL 如此重要?当然,电容有电线,但我想电路的其余部分有更多的电线,因此寄生电感要高得多,这比短元件引线的问题要大得多。否则,电容只是中间有电介质的板,那么它们是什么让我们如此担心 ESL?

说到电解电容,我找到了一个解释:因为盖子基本上是一卷长箔,所以肯定有很多电感,因为箔卷有点像线圈。但我认为这根本没有意义:它不像电流沿着箔传播!电流在一个箔片中形成电场,该电场再次在另一片箔片中产生电流。但是这个场出现箔片上,而不是沿着箔片​​,所以这种解释对我来说毫无意义。

那么有人可以向我解释这种现象吗,最好是在陶瓷和电解电容器的背景下?

3个回答

当电流流动时,根据定义,它周围有一个磁场。这会导致电流变化的任何导体产生自感

由于电容器在 AC 下是低阻抗(精确的数量当然取决于频率),因此真正的电容器看起来像这样:

C1 是标称电容,R1 是等效串联电阻,L1 是等效串联电感,R2 是漏电阻。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

您会注意到我们现在有一个阻尼串联谐振电路;在自谐振以下是电容性的,在谐振时是电阻性的,在自谐振以上是电感性的。

ESL 的值取决于器件的材料和尺寸;对于 0204 表面贴装封装中的反向几何器件,它可能低至 300pH;典型的 0402 表面贴装陶瓷约为 680pH。

对于去耦和耦合设备,这在高速世界中很重要。

让我们快速计算一下。如果我去耦内部开关速率为 200 皮秒的设备(一点也不罕见,并且在 2.5GHz 处有频率伪影)并且我使用 0402 0.1uF 设备,那么实际阻抗约为 4.3 欧姆并且它是电感性的。

您确实没看错;电容器现在充当电感器。

典型的表面贴装 ESL:

0402 680pH:0603 约 900pH:0805 约 1.2nH

4 thou(很常见)的 1 英寸轨道具有大约 5nH 的电感,供参考。这就是去耦器件需要如此接近被去耦的实际电源引脚的原因。在这些频率下甚至只有 1/2 英寸远的设备也可能不存在。

PCB 走线的电感假定它在平面上;精确值将根据到飞机的距离而有所不同(因为它会影响总返回路径和往返时间)。我发现上面的值是 PCB 设计的一个很好的(保守的)起点。实际电感具体取决于环路的总电流路径距离。

那么ESL的原因是什么?物理。

免责声明:虽然我很欣赏 OP 接受了我的回答,但代替彼得史密斯(目前)投票最多的回答,请务必阅读他的回答,因为它非常清晰和有帮助。点击这里!


陶瓷帽和电解帽具有非常不同的特性,并且用于非常不同的事物。

陶瓷盖的 ESL 非常低,对于一个相当小的现代封装,通常只有几百个 pH 值。电解电容 ESL 比这大得多。

以类似的方式,陶瓷电容比电解电容低得多。

这两个事实加在一起导致电容的谐振频率存在很大差异。电解电容的谐振频率为几 100 Hz,而良好的陶瓷电容的谐振频率为几 MHz。

当您处理低频时,通常使用电解电容,例如电源平滑或音频应用。

陶瓷用于不能在频率响应上妥协的地方,因此用于高频滤波器,或过滤掉数字高频设备(如微控制器)的电源。

正如您所说,电路由电线制成,通常比帽引线长。这是真的,这就是为什么陶瓷盖通常放置在离它必须过滤/供应的点几毫米的地方。根据走线宽度,PCB 上的几毫米​​很容易达到 100 pH 的电感值,因此您将电容提供的值加倍。

在高频时,电容不充当电阻,而是充当电感,其阻抗随频率增加。

关于电感从何而来,我不确定是否有可能得到一个直观令人满意的答案。你说电流没有穿过箔片,但这不是真的。它们处于相同的电位,并且电流不会仅在直流时沿它们传播。1 MHz 会发生什么?和 1 GHz?一些电流肯定也流过箔片。

陶瓷要好得多,它们像双梳子一样建造:

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

这样,“最长路径”就短得多,寄生电感也低得多。如果您查看陶瓷的 ESL,您会发现该数字几乎仅取决于封装尺寸,封装越小,ESL 越低。

回答 - 尝试绘制两个螺旋形状的箔片,它们之间有电解质/绝缘体。对于交流电流 - 存在矢量 D 和流过绝缘体的电流(电荷位移),当您通过箔区域或仅在二维(横截面)中绘制电流方向时,您会看到线圈形状的结构有多好。所以有一个电感。即使是两条直平行线也有电感。即使是空气中的一根电线也有电感。这么小,但它存在。