Tụ điện được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử để lưu trữ và quản lý năng lượng.

Các ứng dụng điển hình bao gồm lọc, tách ghép, lưu trữ năng lượng và điều chỉnh. Một số ứng dụng như tách ghép đòi hỏi trở kháng thấp, khả năng tạo dòng gợn sóng cao và hiệu suất đột biến tuyệt vời. Độ tự cảm là một trong những thông số chính cần xem xét khi lựa chọn tụ điện cho mạch kỹ thuật số tốc độ cao.

Về mặt lý thuyết, tụ điện thường được coi là các thành phần lý tưởng. Tuy nhiên, tụ điện thực tế không lý tưởng và chứa các thành phần ký sinh – tổn thất  – có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của chúng. Các đặc điểm không lý tưởng này chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu và phương pháp xây dựng. Mô hình mạch tương đương của tụ điện thực tế bao gồm điện trở nối tiếp tương đương (ESR), độ tự cảm nối tiếp tương đương (ESL) và điện trở cách điện. Các điện cực và dây dẫn của tụ điện đóng góp thành phần điện trở và thành phần cảm ứng trong khi vật liệu điện môi đóng góp thành phần điện trở cách điện.

ESR là một thành phần điện trở khiến một số năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt. Mặt khác, ESL khiến từ trường tích tụ trong các thiết bị. Sự tích tụ từ trường này cản trở cách dòng điện tăng lên đến đỉnh và giảm trở lại. Nhìn chung, độ tự cảm ký sinh và điện trở bên trong là những vấn đề chính trong các mạch kỹ thuật số tốc độ cao. Khi tốc độ hoạt động của các mạch kỹ thuật số tăng lên, nhu cầu về tụ điện có hiệu suất và hiệu quả tốt hơn tiếp tục tăng. Một cách để nâng cao hiệu suất của tụ điện là giảm độ tự cảm bên trong. Giảm độ tự cảm đáng kể đạt được bằng cách sử dụng vật liệu chính xác và kỹ thuật xây dựng phù hợp.

Nhu cầu duy trì hiệu suất cao, thu nhỏ mạch và kiểm soát chi phí là động lực chính thúc đẩy các loại tụ điện mới. Sử dụng các công nghệ tiên tiến, các nhà sản xuất đang sản xuất các loại tụ điện mới để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất của các mạch điện tử ngày nay. Các tụ điện hiệu suất cao với ESL rất thấp đang ngày càng thay thế các tụ điện gốm , tantalum và nhôm thông thường . Tụ điện polyme tantalum và tụ điện polyme nhôm là một số giải pháp mới cho các ứng dụng tách ghép trong các mạch hiệu suất cao. Các tụ điện có độ tự cảm rất thấp này chiếm ít không gian hơn nhiều và chi phí sản xuất chúng là hợp lý.

ĐỘ CẢM KÝ SINH TRONG TỤ GỐM

Tụ gốm thường được sử dụng trong các mạch điện tử cho các ứng dụng tách ghép. Mô hình mạch tương đương của một tụ gốm nhiều lớp thông thường bao gồm ba thành phần: tụ điện, điện trở nối tiếp và độ tự cảm ký sinh. Đối với các ứng dụng tách ghép trong các hệ thống kỹ thuật số tốc độ cao, độ tự cảm của MLCC là một yếu tố quan trọng. Điều này là do điện áp gợn phụ thuộc vào độ tự cảm. Vòng lặp dòng điện là đặc điểm vật lý chính xác định độ tự cảm nối tiếp tương đương. ESL tăng theo sự gia tăng kích thước của vòng lặp dòng điện.

Trong tụ điện chip, độ tự cảm nối tiếp tương đương phần lớn được xác định bởi khoảng cách giữa các đầu cuối. Vì tụ điện có vòng dòng điện nhỏ hơn có độ tự cảm thấp hơn, việc giảm khoảng cách giữa các đầu cuối của tụ điện giúp giảm kích thước của vòng dòng điện. Sử dụng các vòng dòng điện đối diện giúp giảm thêm độ tự cảm nối tiếp tương đương trong tụ điện gắn bề mặt. Có thể giảm đáng kể độ tự cảm bằng cách tối ưu hóa kiến ​​trúc của tụ điện gắn bề mặt.

Trong tụ điện bypass, tần số cộng hưởng phụ thuộc vào độ tự cảm ký sinh. Hiệu ứng của thành phần ký sinh này trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng tần số cao. Do đó, điều quan trọng đối với các kỹ sư thiết kế là đo độ tự cảm của tụ điện cho mạch kỹ thuật số tốc độ cao.

Trong tụ điện tách ghép gắn trên PCB, độ tự cảm chủ yếu được xác định bởi cấu trúc miếng đệm gắn. Dòng điện chạy qua vòng lặp được mô tả bởi ba yếu tố này: chiều cao tụ điện, độ trải rộng mặt phẳng công suất và bố trí miếng đệm. Vì độ tự cảm của mạch tương đương tăng theo kích thước của vòng lặp dòng điện tăng, nên nó được giảm thiểu bằng cách đảm bảo rằng các lỗ thông nguồn (Vdd) và đất (Gnd) gần nhau. Các cách khác để giảm thiểu độ tự cảm bao gồm lựa chọn thiết kế bố trí miếng đệm phù hợp và sử dụng các lỗ thông ngắn hơn.

tụ gốm có độ tự cảm thấp

Tụ điện có điện dung cao có xu hướng có ESL cao và ngược lại. Khi thiết kế mạch kỹ thuật số, các kỹ sư nên xem xét cả điện dung và độ tự cảm nối tiếp tương đương. Trong các mạch điện tử tốc độ cao, tụ gốm nhiều lớp có độ tự cảm thấp được đặt gần tải. So với tụ tantalum và tụ nhôm thông thường, MLCC có độ tự cảm nối tiếp tương đương thấp hơn. Nếu không có vấn đề về không gian, MLCC có thể được kết nối song song để cung cấp độ tự cảm nối tiếp tương đương rất thấp.

Công nghệ MLCC cung cấp mức độ linh hoạt thiết kế tuyệt vời để hạn chế độ tự cảm của nó bằng nhiều cấu hình thiết kế và giải pháp khác nhau. Xem ví dụ về hình ảnh bên phải: Tụ điện gốm có độ tự cảm thấp LICC.

ĐỘ CẢM KÝ SINH TRONG TỤ TANTALUM

Tụ điện tantalum thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao và hiệu suất thể tích. Giống như các loại tụ điện khác, các tụ điện này có ESR và ESL ký sinh. Trong tụ điện tantalum, dòng điện dẫn chạy qua các dây dẫn có kích thước hữu hạn. Độ tự cảm ký sinh của tụ điện tantalum là do các dây dẫn này. Giá trị điện dung của tụ điện tantalum có tác động hầu như không đáng kể đến độ tự cảm ký sinh. Ngoài ra, không giống như ESR, ESL của tụ điện tantalum vẫn khá ổn định trong một dải tần số rộng. Trong tụ điện tantalum, độ tự cảm nối tiếp tương đương được giảm thiểu bằng cách sử dụng các đầu nối úp xuống. Việc sử dụng các đầu nối này giúp giảm diện tích vòng lặp, do đó làm giảm độ tự cảm ký sinh.

Thiết kế tụ điện tantalum ESL thấp

Theo truyền thống, tụ điện tantalum chỉ giới hạn ở các ứng dụng tần số thấp. Hiệu suất ấn tượng của tụ điện tantalum có độ tự cảm thấp dạng úp (dưới tab) đã tạo ra các ứng dụng mới cho tụ điện tantalum trong các mạng lưới phân phối điện (PDN). Đối với các ứng dụng tách ghép trong các mạch kỹ thuật số hiệu suất cao, tụ điện polyme tantalum có độ tự cảm thấp hoạt động tốt hơn tụ điện điện phân nhôm và gốm thông thường. Các đặc điểm khác khiến tụ điện tantalum có độ tự cảm thấp trở thành lựa chọn phù hợp cho các mạch hiệu suất cao bao gồm ESR thấp và điện dung vừa phải.

ĐỘ CẢM KÝ SINH TRONG TỤ ĐIỆN PHÂN NHÔM

Trong một thời gian dài, các nhà thiết kế mạch điện tử đã sử dụng tụ điện điện phân nhôm ướt cho các ứng dụng tách rời khối lượng lớn. Tuy nhiên, ESL và ESR tương đối cao của các tụ điện này làm chậm phản ứng của chúng và làm giảm hiệu suất của chúng. Tụ điện polyme nhôm có đặc tính hiệu suất tốt hơn và chúng ngày càng thay thế tụ điện nhôm ướt trong các ứng dụng tách rời khối lượng lớn. Không giống như tụ điện nhôm thông thường, các tụ điện mới hơn này sử dụng polyme dẫn điện làm chất điện phân. Ngoài ra, hiệu suất của tụ điện kim loại van cho phép sử dụng ít linh kiện hơn, do đó tiết kiệm không gian và giảm chi phí.

Trong máy tính và các mạch kỹ thuật số hiệu suất cao khác, tụ điện polymer nhôm và tụ điện polymer tantalum được sử dụng cho các ứng dụng tách rời khối lượng lớn. Ngoài ESL rất thấp, các tụ điện van kim loại này có ESR rất thấp, diện tích nhỏ, hiệu suất thể tích cao và điện dung khá cao. Tuy nhiên, so với tụ điện nhôm thông thường, tụ điện van kim loại đắt hơn khi sản xuất.

PHẦN KẾT LUẬN

Tụ điện là thành phần cơ bản trong hầu hết các mạch kỹ thuật số. Tụ điện tách rời được sử dụng rộng rãi trong các chip nhớ tốc độ cao và bộ vi xử lý. Trong khi một tụ điện hoàn hảo có khả năng truyền toàn bộ năng lượng được lưu trữ của nó đến một tải ngay lập tức, thì một tụ điện thực sự không thể.

Các thành phần ký sinh trong tụ điện thực ngăn cản việc truyền năng lượng lưu trữ tức thời đến tải. Do đó, mô hình mạch tương đương của tụ điện thực có các thành phần điện dung, điện trở và cảm ứng. Các thành phần RLC này thường được gọi là điện dung nối tiếp tương đương, điện trở nối tiếp tương đương và độ tự cảm nối tiếp tương đương.

Tốc độ năng lượng được truyền đến tải được xác định phần lớn bởi độ tự cảm nối tiếp tương đương của tụ điện. Tốc độ này tăng lên khi ESL giảm. Các mạch kỹ thuật số ngày nay có tốc độ chuyển mạch cao hơn và yêu cầu tụ điện có độ tự cảm thấp. Nhu cầu về tụ điện có độ tự cảm rất thấp tiếp tục tăng khi tốc độ chuyển mạch tăng lên.

Các nhà sản xuất đang dần cải tiến công nghệ sản xuất tụ điện để đáp ứng hiệu suất mà mạch kỹ thuật số tốc độ cao ngày nay yêu cầu.

‍