Kapasitor banyak digunakan dalam rangkaian elektronik untuk menyimpan dan mengelola energi. Aplikasi umum termasuk penyaringan, decoupling, penyimpanan energi, dan penyetelan. Beberapa aplikasi seperti decoupling menuntut impedansi rendah, kemampuan arus riak tinggi, dan kinerja lonjakan yang sangat baik. Induktansi adalah salah satu parameter utama yang perlu dipertimbangkan saat memilih kapasitor untuk sirkuit digital kecepatan tinggi.
Secara teori, kapasitor umumnya dianggap sebagai komponen ideal. Namun, kapasitor praktis tidak ideal dan mengandung elemen parasit yang dapat secara signifikan mempengaruhi kinerjanya. Karakteristik non-ideal ini terutama tergantung pada bahan dan metode konstruksi. Model rangkaian ekivalen kapasitor praktis terdiri dari resistansi seri ekivalen (ESR), induktansi seri ekivalen (ESL), dan resistansi isolasi. Elektroda dan kabel kapasitor menyumbang komponen resistif dan komponen induktif sedangkan bahan dielektrik menyumbang resistansi isolasi.
ESR adalah komponen resistif yang menyebabkan sebagian energi hilang dalam bentuk panas. Di sisi lain, ESL menyebabkan medan magnet menumpuk di perangkat. Penumpukan medan magnet ini mengganggu bagaimana arus naik ke puncak dan turun kembali. Umumnya, induktansi parasit dan resistansi internal adalah masalah utama dalam sirkuit digital kecepatan tinggi. Seiring dengan peningkatan kecepatan operasi sirkuit digital, permintaan akan kapasitor dengan kinerja dan efisiensi yang lebih baik terus meningkat. Salah satu cara untuk meningkatkan kinerja kapasitor adalah dengan mengurangi induktansi internal. Pengurangan induktansi yang cukup besar dicapai dengan menggunakan bahan yang benar dan teknik konstruksi yang sesuai.
Kebutuhan untuk mempertahankan kinerja tinggi, sirkuit miniatur, dan biaya kontrol adalah pendorong utama menuju jenis kapasitor baru. Dengan menggunakan teknologi canggih, pabrikan memproduksi jenis kapasitor baru untuk memenuhi persyaratan kinerja sirkuit elektronik saat ini. Kapasitor berkinerja tinggi dengan ESL yang sangat rendah semakin menggantikan kapasitor keramik, tantalum, dan aluminium konvensional. Kapasitor polimer Tantalum dan kapasitor polimer aluminium adalah beberapa solusi baru untuk aplikasi decoupling di sirkuit kinerja tinggi. Kapasitor induktansi yang sangat rendah ini menempati lebih sedikit ruang dan biaya produksinya masuk akal.
INDUKtansi PARASIT PADA KAPASITOR KERAMIK Kapasitor keramik biasanya digunakan dalam rangkaian elektronik untuk aplikasi decoupling. Model rangkaian ekivalen dari kapasitor keramik multilayer yang khas terdiri dari tiga elemen:kapasitor, resistansi seri, dan induktansi parasit. Untuk aplikasi decoupling dalam sistem digital kecepatan tinggi, induktansi MLCC merupakan faktor penting. Ini karena tegangan riak bergantung pada induktansi. Loop arus adalah karakteristik fisik utama yang menentukan induktansi seri yang setara. ESL meningkat dengan peningkatan ukuran loop saat ini.
Dalam kapasitor chip, induktansi seri ekivalen sangat ditentukan oleh jarak antara terminasi. Karena kapasitor dengan loop arus yang lebih kecil memiliki induktansi yang lebih rendah, mengurangi jarak antara terminasi kapasitor membantu mengurangi ukuran loop arus. Menggunakan loop arus yang berlawanan membantu mengurangi lebih lanjut induktansi seri ekivalen pada kapasitor pemasangan permukaan. Pengurangan induktansi yang signifikan dapat dicapai dengan mengoptimalkan arsitektur kapasitor pemasangan permukaan.
Dalam kapasitor bypass, frekuensi resonansi tergantung pada induktansi parasit. Pengaruh komponen parasit ini menjadi lebih umum dalam aplikasi frekuensi tinggi. Oleh karena itu, penting bagi insinyur desain untuk mengukur induktansi kapasitor untuk sirkuit digital berkecepatan tinggi.
Dalam kapasitor decoupling yang dipasang di PCB, induktansi terutama ditentukan oleh struktur bantalan pemasangan. Arus mengalir melalui loop yang dijelaskan oleh tiga elemen ini:tinggi kapasitor, penyebaran bidang daya, dan tata letak pad. Karena induktansi rangkaian ekivalen meningkat dengan bertambahnya ukuran loop arus, ini diminimalkan dengan memastikan bahwa vias daya (Vdd) dan ground (Gnd) berdekatan satu sama lain. Cara lain untuk meminimalkan induktansi termasuk memilih desain tata letak pad yang sesuai dan menggunakan vias yang lebih pendek.
Kapasitor kapasitansi tinggi cenderung memiliki ESL tinggi, dan sebaliknya. Saat merancang sirkuit digital, insinyur harus mempertimbangkan kapasitansi dan induktansi seri yang setara. Dalam sirkuit elektronik kecepatan tinggi, kapasitor keramik multilayer induktansi rendah ditempatkan dekat dengan beban. Dibandingkan dengan kapasitor tantalum dan aluminium konvensional, MLCC memiliki induktansi seri ekivalen yang lebih rendah. Jika ruang tidak menjadi masalah, MLCC dapat dihubungkan secara paralel untuk memberikan induktansi seri ekivalen yang sangat rendah.
Teknologi MLCC memberikan tingkat fleksibilitas desain yang tinggi untuk menekan induktansi diri melalui berbagai konfigurasi dan solusi desain. Gambar kanan:Kapasitor Keramik Induktansi Rendah LICC. Sumber gambar dan kredit unggulan:AVX Corporation.
INDUKtansi PARASIT PADA KAPASITOR TANTALUM Kapasitor tantalum biasanya digunakan dalam aplikasi yang menuntut keandalan tinggi dan efisiensi volumetrik. Sama seperti jenis kapasitor lainnya, kapasitor ini memiliki parasit ESR dan ESL. Dalam kapasitor tantalum, arus konduksi mengalir melalui konduktor dengan ukuran terbatas. Induktansi parasit kapasitor tantalum disebabkan oleh konduktor ini. Nilai kapasitansi kapasitor tantalum memiliki efek yang hampir dapat diabaikan pada induktansi parasit. Selain itu, tidak seperti ESR, ESL kapasitor tantalum tetap cukup konstan pada rentang frekuensi yang luas. Dalam kapasitor tantalum, induktansi seri ekivalen diminimalkan dengan menggunakan terminasi telungkup. Penggunaan penghentian ini membantu mengurangi area loop, sehingga mengurangi induktansi parasit.
Secara tradisional, kapasitor tantalum terbatas pada aplikasi frekuensi rendah. Kinerja mengesankan kapasitor tantalum dengan induktansi rendah menghadap ke bawah (undertab) telah menciptakan aplikasi baru untuk kapasitor tantalum dalam jaringan distribusi daya (PDN). Untuk aplikasi decoupling di sirkuit digital kinerja tinggi, kapasitor polimer tantalum induktansi rendah berkinerja lebih baik daripada kapasitor elektrolitik keramik dan aluminium konvensional. Karakteristik lain yang membuat kapasitor tantalum berinduktansi rendah menjadi pilihan yang cocok untuk sirkuit berkinerja tinggi termasuk ESR rendah dan kapasitansi sedang.
kredit gambar:Kemet T528; makalah teknis referensi tersedia di sini.
INDUKtansi PARASIT PADA KAPASITOR ELEKTROLITIK ALUMINIUM Untuk waktu yang lama, perancang sirkuit elektronik telah menggunakan kapasitor elektrolit aluminium basah untuk aplikasi decoupling massal. Namun, ESL dan ESR yang relatif tinggi dari kapasitor ini memperlambat responsnya dan menurunkan kinerjanya. Kapasitor polimer aluminium memiliki karakteristik kinerja yang lebih baik, dan semakin banyak menggantikan kapasitor aluminium basah dalam aplikasi decoupling massal. Tidak seperti kapasitor aluminium konvensional, kapasitor yang lebih baru ini menggunakan polimer konduktif sebagai elektrolit. Selain itu, kinerja kapasitor katup-logam memungkinkan penggunaan komponen yang lebih sedikit, sehingga menghemat ruang dan mengurangi biaya.
Di komputer dan sirkuit digital kinerja tinggi lainnya, kapasitor polimer aluminium dan kapasitor polimer tantalum digunakan untuk aplikasi pelepasan sambungan massal. Selain ESL yang sangat rendah, kapasitor katup-logam ini memiliki ESR yang sangat rendah, tapak yang kecil, efisiensi volumetrik yang tinggi, dan kapasitansi yang cukup tinggi. Namun, dibandingkan dengan kapasitor aluminium konvensional, kapasitor katup-logam lebih mahal untuk diproduksi.
KESIMPULAN Kapasitor adalah elemen dasar di sebagian besar rangkaian digital. Kapasitor decoupling banyak digunakan dalam chip memori kecepatan tinggi dan mikroprosesor. Sedangkan kapasitor yang sempurna mampu mentransfer semua energi yang tersimpan ke beban secara instan, kapasitor nyata tidak bisa.
Komponen parasit dalam kapasitor nyata mencegah transfer energi yang tersimpan secara instan ke beban. Dengan demikian, model rangkaian ekivalen dari kapasitor nyata memiliki komponen kapasitif, resistif, dan induktif. Komponen RLC ini biasa disebut sebagai kapasitansi seri ekivalen, resistansi seri ekivalen, dan induktansi seri ekivalen.
Kecepatan di mana energi ditransfer ke beban sangat ditentukan oleh induktansi seri ekivalen dari sebuah kapasitor. Kecepatan ini meningkat dengan penurunan ESL. Sirkuit digital saat ini memiliki kecepatan switching yang lebih tinggi dan membutuhkan kapasitor induktansi rendah. Permintaan akan kapasitor dengan induktansi yang sangat rendah terus meningkat seiring dengan meningkatnya kecepatan switching.
Produsen semakin memajukan teknologi pembuatan kapasitor untuk memenuhi kinerja yang diminta oleh sirkuit digital berkecepatan tinggi saat ini.
