完整的低ESL电容器指南

电阻器、电容器和电感器……它们是基本组件，而你的电子课程总是暗示这些组件会像教科书中描述的那样准确地工作。不幸的是，事实并非如此；你的电容器最终会在高频下表现得像一个电感器，导致不希望的行为和电路中的错误阻抗。

罪魁祸首是等效串联电感或ESL。所有电容器在足够高的频率下都有一些寄生ESL，只是一个问题，即ESL值是否对你的特定应用重要。高速数字系统、射频系统以及许多其他应用特别需要低ESL电容器来设定目标阻抗，在所需频率范围内过滤并确保PCB的PDN中的去耦。

一些组件数据表或应用说明仅简单地指出你必须使用某种类型的电容器，而没有任何更多的解释，而其他数据表将要求使用具有特定ESL值的电容器，但没有任何其他指导。那么，你如何确保在设计中使用正确的低ESL电容器呢？我在这里编制的指南应该有助于你开始理解如何为高级应用找到并选择低ESL电容器。

什么是低ESL？

所有组件都有一些寄生元件，意味着一些非预期的电感、电阻和电容。这些寄生元件导致组件的实际电气行为与组件的理想行为不同。它们可能是由于组件本身的构造或由于组件在PCB上的放置方式而产生的。一般来说，当供应直流电时，无源元件会表现为理想组件，但在高频下寄生元件开始接管电气行为。

带有ESL的电容器电路模型

在电容器中，等效串联电感（ESL）是电容器中的表观电感，只有在某些频率以上才会变得明显。还有一些等效串联电阻（ESR）。最后，电容器中还存在一些漏电或体电阻，它与理想电容、ESL和ESR并联存在。如下图所示，以及真实的电容器阻抗。

因为电容器中的电介质材料具有很强的绝缘性，Rbulk的值通常非常大（约100 GOhms），所以在计算电容器的阻抗时可以忽略。因此，我们需要关注ESL和ESR值，当选择电容器时。

自谐振和ESL

如果你看看上面的电路模型，你会发现一个真实的电容器是一个RLC电路，所以它有一定的自谐振频率，如上所定义。类似的RLC模型用于描述电感器、变压器，甚至是二极管和晶体管等半导体的真实行为。这种自谐振频率是真实电容器能像电感器一样行为的原因；当驱动频率大于自谐振频率时，组件的感性行为占主导地位。

为什么要有低ESL和ESR？

一般来说，你永远无法得到一个ESL和ESR为零的电容器，但有些应用需要非常低的值。

选择电容器时，特别是对于高速/高频应用，你希望ESL值低的有三个原因：

• 在滤波应用中：低ESL意味着自谐振频率更高，所以电容器在更宽的频率范围内表现得像一个理想组件。

• 在电源应用中：瞬态响应会更快，意味着电容器可以更快地放电和提供电力。在电源应用中，滤波的好处也同样适用。这里低ESR也很重要，因为当ESR较低时，充放电速度更快。

• 在去耦应用中：在高速IC上用于去耦/旁路时，低ESL电容器提供了更大的地线和电源线跳动减少。

下面的图片展示了ESL如何影响理论上一个10 nF电容器（具有0.01欧姆ESR）的阻抗。不同的曲线展示了不同ESL值（1 nH、10 nH和100 nH）的阻抗特性。从图中，我们看到阻抗在自谐振频率以下是电容性的，不论ESL值如何，然后在自谐振频率之上变成感性的。我们看到阻抗

对于在开关电源、逆变器或电力转换器等应用中使用的电容器，ESL通常不是一个很大的问题。PWM驱动信号通常足够慢，以至于绝大多数功率集中在自谐振频率以下，所以几乎任何具有高电压等级的电容器都可以使用。例外情况是当你选择更高的开关频率（MHz及以上）和更快的上升时间（约1 ns）以确保非常高效的电力转换时。在这种情况下，你的PWM驱动可能会激发一个自谐振，需要低ESL电容器。

在数字去耦应用中，我们需要确保流入PCB的PDN（电源分配网络）的电流平稳，使用低ESL（等效串联电感）电容器有助于确保PDN阻抗在更高频率下平滑。目标是保持PDN阻抗低于某个目标值，因为低阻抗意味着PDN上的电压扰动小。这就是为什么过时的高速设计应用笔记会告诉你为每个IC使用三个电容器进行去耦（10 nF、1 nF和100 pF）。对于像高速FPGA这样的高级组件，它们可能具有非常低的上升时间，去耦策略可能更为复杂，因为我们需要在10或100的GHz范围内保持平坦的阻抗。

什么决定了电容器的ESL和ESR？

有三个因素会影响电容器的ESL和ESR值。这些包括：

• 介电材料：介电体与电容器引线之间的接触电阻决定了ESR值，介电体的渗透率决定了ESR值。

• 封装尺寸：这个因素对电容器中的ESL和ESR影响最大。较大的封装会有较大的引线和与介电体的接触面，因此它们可能具有较大的ESL值。

• 安装方式：穿孔组件的ESL往往比SMD电容器高，因为穿孔电容器的引线尺寸较大。

因为电容器中使用的介电材料决定了ESL和ESR，我们现在可以看到为什么一些IC数据手册和应用笔记会推荐特定类型的电容器。某些类型的电容器（例如，钽电容、陶瓷电容等）可能倾向于具有较低的自谐振频率，因此它们更适合用于高速数字应用。同时，对于电力电子学，使用较大的电容器更多是为了确保高电压等级和维持稳定的直流输出，因此ESL和自谐振不那么重要。

选择低ESL电容器

不幸的是，当你需要找到低ESL电容器时，大多数数据手册在给出ESL的具体值方面做得不好。数据手册可能在显示ESR值方面做得更好，这对于理解阻抗曲线有多平坦很重要。一些专门作为高频电容器市场推广的电容器的数据手册可能包括阻抗与频率曲线，这确实可以帮助你立即确定电容器是否满足你的带宽要求。

识别候选的低ESL电容器

因为电容器的ESL值在数据手册中很少找到，你需要查看制造商的产品指南。如果你能找到下面显示的图表，你可以很好地了解你的电容器的ESL值。下面的图表显示了American Technical Ceramics 600系列MLCCs的自谐振和电容量之间的关系，曲线的斜率与电容器的ESL值有关。

数字与模拟

为模拟系统（例如无线系统）选择低ESL电容器相对容易。只需检查电容器是否表现得像理想电容器，并且其自谐振频率高于系统中的工作频率即可。因为数字信号是宽带的，你需要将整个阻抗与频率曲线与你的信号带宽进行比较，不能只看单一频率。

使用低ESL电容器进行去耦

记住，体积较小的电容器具有较低的ESL值，因此具有更高的自谐振频率；这是推荐在高速数字系统中使用体积较小电容器的另一个原因。如果你查看典型高速数字系统中的布局和PDN去耦方案，你会看到去耦网络中并联放置了多个电容器。这样做有一个特定的原因：并联使用多个相同电容器会增加总等效电容量并降低PDN阻抗，但不会改变谐振频率。下面的示例展示了5个具有相同C和ESL值的电容器。

我在上图中忽略了ESR，但无论如何我们得到的结果是相同的；我将这个作为读者的练习题。这里的要点是，如果你需要选择一个具有高自谐振频率的低ESL电容器，你可以使用较小的电容量，并且并联多个电容器。单个低ESL电容器或多个相同的并联电容器的频率响应将是相同的。

不同的电容器（具有不同的C或ESL值）并联时，相同的理念并不严格适用。在这种情况下，由于不同RLC网络之间的相互作用具有不同的极点，将会有多个谐振峰，需要进行更彻底的分析以理解这些电容器网络的阻抗和频率响应。

使用最佳搜索引擎找到低ESL电容器

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