コンデンサの性能に対するESLの影響

コンデンサは、エネルギーを貯蔵および管理するための電子回路で広く使用されています。典型的なアプリケーションには、フィルタリング、デカップリング、エネルギー貯蔵、およびチューニングが含まれます。デカップリングなどの一部のアプリケーションでは、低インピーダンス、高リップル電流機能、および優れたサージ性能が要求されます。インダクタンスは、高速デジタル回路用のコンデンサを選択する際に考慮すべき重要なパラメータの1つです。

理論的には、コンデンサは一般的に理想的なコンポーネントと見なされます。ただし、実際のコンデンサは理想的ではなく、性能に大きな影響を与える可能性のある寄生素子が含まれています。これらの非理想的な特性は、主に材料と工法に依存します。実際のコンデンサの等価回路モデルは、等価直列抵抗（ESR）、等価直列インダクタンス（ESL）、および絶縁抵抗で構成されています。コンデンサの電極とリード線は抵抗成分と誘導成分に寄与し、誘電体は絶縁抵抗に寄与します。

ESRは、熱の形でいくらかのエネルギーが失われる原因となる抵抗膜方式のコンポーネントです。一方、ESLはデバイスに磁場を蓄積させます。この磁場の蓄積は、電流がピークに上昇して後退する方法を妨害します。一般に、寄生インダクタンスと内部抵抗は、高速デジタル回路の主要な問題です。デジタル回路の動作速度が上がるにつれて、より優れた性能と効率を備えたコンデンサの需要が高まり続けています。コンデンサの性能を向上させる1つの方法は、内部インダクタンスを減らすことです。適切な材料と適切な構造技術を使用することで、インダクタンスを大幅に削減できます。

高性能、小型化回路、および制御コストを維持する必要性は、新しいタイプのコンデンサへの主な推進力です。メーカーは、高度な技術を使用して、今日の電子回路の性能要件を満たす新しいタイプのコンデンサを製造しています。 ESLが非常に低い高性能コンデンサは、従来のセラミック、タンタル、およびアルミニウムのコンデンサに取って代わりつつあります。タンタルポリマーコンデンサとアルミニウムポリマーコンデンサは、高性能回路のデカップリングアプリケーション向けの新しいソリューションの一部です。これらの非常に低いインダクタンスのコンデンサは、はるかに少ないスペースを占有し、それらを製造するコストは合理的です。

セラミックコンデンサの寄生インダクタンス
セラミックコンデンサは、デカップリングアプリケーションの電子回路で一般的に使用されています。一般的な多層セラミックコンデンサの等価回路モデルは、コンデンサ、直列抵抗、寄生インダクタンスの3つの要素で構成されています。高速デジタルシステムのデカップリングアプリケーションでは、MLCCのインダクタンスが重要な要素になります。これは、リップル電圧がインダクタンスに依存しているためです。電流ループは、等価直列インダクタンスを決定する重要な物理的特性です。 ESLは、現在のループのサイズが大きくなると大きくなります。

チップコンデンサでは、等価直列インダクタンスは終端間の距離によって大きく決まります。電流ループが小さいコンデンサはインダクタンスが小さいため、コンデンサの終端間の距離を短くすると、電流ループのサイズを小さくするのに役立ちます。対向する電流ループを使用すると、表面実装コンデンサの等価直列インダクタンスをさらに減らすことができます。表面実装コンデンサのアーキテクチャを最適化することにより、インダクタンスを大幅に削減できます。

バイパスコンデンサでは、共振周波数は寄生インダクタンスに依存します。この寄生成分の影響は、高周波アプリケーションでより一般的になります。したがって、設計エンジニアは高速デジタル回路のコンデンサのインダクタンスを測定することが重要です。

PCBに取り付けられたデカップリングコンデンサでは、インダクタンスは主に取り付けパッドの構造によって決まります。電流は、コンデンサの高さ、電源面の広がり、パッドのレイアウトの3つの要素で表されるループを流れます。等価回路インダクタンスは電流ループのサイズが大きくなると増加するため、電源（Vdd）ビアとグランド（Gnd）ビアを互いに近づけることで最小化されます。インダクタンスを最小限に抑える他の方法には、適切なパッドレイアウト設計を選択し、より短いビアを使用することが含まれます。

高容量コンデンサはESLが高くなる傾向があり、その逆も同様です。デジタル回路を設計するとき、エンジニアは静電容量と等価直列インダクタンスの両方を考慮する必要があります。高速電子回路では、低インダクタンスの多層セラミックコンデンサが負荷の近くに配置されます。従来のタンタルおよびアルミニウムコンデンサと比較して、MLCCの等価直列インダクタンスは低くなっています。スペースが問題にならない場合は、MLCCを並列に接続して、非常に低い等価直列インダクタンスを提供できます。

MLCCテクノロジーは、さまざまな設計構成とソリューションによって自己インダクタンスを抑制するために、優れたレベルの設計の柔軟性を提供しています。右の画像：低インダクタンスセラミックコンデンサLICC。注目の画像ソースとクレジット：AVXCorporation。

タンタルコンデンサの寄生インダクタンス
タンタルコンデンサは、高い信頼性と体積効率を必要とするアプリケーションで一般的に使用されています。他のタイプのコンデンサと同様に、これらのコンデンサには寄生ESRとESLがあります。タンタルコンデンサでは、伝導電流は有限サイズの導体を流れます。タンタルコンデンサの寄生インダクタンスは、これらの導体によるものです。タンタルコンデンサの容量値は、寄生インダクタンスにほとんど影響を与えません。さらに、ESRとは異なり、タンタルコンデンサのESLは、広範囲の周波数にわたってかなり一定に保たれます。タンタルコンデンサでは、フェースダウン終端を使用することにより、等価直列インダクタンスが最小限に抑えられます。これらの終端を使用すると、ループ面積が減少し、寄生インダクタンスが減少します。

従来、タンタルコンデンサは低周波アプリケーションに限定されていました。フェイスダウン（アンダータブ）低インダクタンスタンタルコンデンサの優れた性能により、配電ネットワーク（PDN）のタンタルコンデンサに新しいアプリケーションが生まれました。高性能デジタル回路のデカップリングアプリケーションでは、低インダクタンスのタンタルポリマーコンデンサは、従来のセラミックおよびアルミニウム電解コンデンサよりも優れた性能を発揮します。低インダクタンスのタンタルコンデンサを高性能回路に適したものにするその他の特性には、低ESRと適度に高い静電容量があります。

画像クレジット：Kemet T528;リファレンステクニカルペーパーはこちらから入手できます。

アルミニウム電解コンデンサの寄生インダクタンス
長い間、電子回路の設計者は、バルクデカップリングアプリケーションに湿式アルミニウム電解コンデンサを使用してきました。ただし、これらのコンデンサのESLとESRが比較的高いと、応答が遅くなり、性能が低下します。アルミニウムポリマーコンデンサは、より優れた性能特性を備えており、バルクデカップリングアプリケーションでウェットアルミニウムコンデンサに取って代わりつつあります。従来のアルミニウムコンデンサとは異なり、これらの新しいコンデンサは電解質として導電性ポリマーを使用しています。さらに、バルブメタルコンデンサの性能により、使用するコンポーネントが少なくなるため、スペースが節約され、コストが削減されます。

コンピュータやその他の高性能デジタル回路では、バルクデカップリングアプリケーションにアルミニウムポリマーコンデンサとタンタルポリマーコンデンサが使用されます。非常に低いESLに加えて、これらのバルブメタルコンデンサは、非常に低いESR、小さなフットプリント、高い体積効率、および適度に高い静電容量を備えています。ただし、従来のアルミニウムコンデンサと比較すると、バルブメタルコンデンサは製造コストが高くなります。

結論
コンデンサは、ほとんどのデジタル回路の基本的な要素です。デカップリングコンデンサは、高速メモリチップやマイクロプロセッサで広く使用されています。完全なコンデンサは、蓄積されたすべてのエネルギーを瞬時に負荷に転送できますが、実際のコンデンサはできません。

実際のコンデンサの寄生成分は、蓄積されたエネルギーが負荷に瞬時に移動するのを防ぎます。そのため、実際のコンデンサの等価回路モデルには、容量性、抵抗性、および誘導性のコンポーネントがあります。これらのRLCコンポーネントは、一般に、等価直列容量、等価直列抵抗、および等価直列インダクタンスと呼ばれます。

エネルギーが負荷に伝達される速度は、コンデンサの等価直列インダクタンスによって大きく決まります。この速度は、ESLの減少とともに増加します。今日のデジタル回路はスイッチング速度が速く、低インダクタンスのコンデンサを必要とします。スイッチング速度が上がるにつれて、インダクタンスが非常に低いコンデンサの需要は増え続けています。

メーカーは、今日の高速デジタル回路に要求される性能を満たすために、コンデンサ製造技術を徐々に進歩させています。