ตัวเก็บประจุ ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพื่อการจัดเก็บและจัดการพลังงาน

การใช้งานทั่วไป ได้แก่ การกรอง การแยกสัญญาณ การกักเก็บพลังงาน และการปรับแต่ง การใช้งานบางอย่าง เช่น การแยกสัญญาณต้องการความต้านทานต่ำ ความสามารถในการรับกระแสริปเปิลสูง และประสิทธิภาพการกระชากที่ยอดเยี่ยม ค่าความเหนี่ยวนำตนเองเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์สำคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกตัวเก็บประจุสำหรับวงจรดิจิทัลความเร็วสูง

ในทางทฤษฎี ตัวเก็บประจุมักถูกมองว่าเป็นส่วนประกอบในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุที่ใช้งานจริงนั้นไม่สมบูรณ์แบบและมีองค์ประกอบปรสิต ( สูญเสีย  ) ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุ คุณสมบัติที่ไม่สมบูรณ์แบบเหล่านี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับวัสดุและวิธีการสร้าง แบบจำลองวงจรสมมูลของตัวเก็บประจุที่ใช้งานจริงประกอบด้วย ความต้านทานอนุกรมสมมูล (ESR) ความเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูล (ESL) และความต้านทานฉนวน อิเล็กโทรดและลีดของตัวเก็บประจุจะทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบต้านทานและส่วนประกอบเหนี่ยวนำ ในขณะที่ วัสดุไดอิเล็กทริก จะทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบต้านทานฉนวน

ESR เป็นส่วนประกอบตัวต้านทานที่ทำให้สูญเสียพลังงานบางส่วนในรูปของความร้อน ในทางกลับกัน ESL ทำให้เกิดการสะสมของสนามแม่เหล็กในอุปกรณ์ การสะสมของสนามแม่เหล็กนี้จะรบกวนการเพิ่มขึ้นของกระแสจนถึงจุดสูงสุดและลดลง โดยทั่วไปแล้ว ความเหนี่ยวนำปรสิตและความต้านทานภายในเป็นปัญหาสำคัญในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง เมื่อความเร็วในการทำงานของวงจรดิจิทัลเพิ่มขึ้น ความต้องการตัวเก็บประจุที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิภาพที่ดีขึ้นก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง วิธีหนึ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุคือการลดความเหนี่ยวนำภายใน การลดความเหนี่ยวนำลงอย่างมากสามารถทำได้โดยการใช้วัสดุที่ถูกต้องและเทคนิคการก่อสร้างที่เหมาะสม

ความจำเป็นในการรักษาประสิทธิภาพสูง การลดขนาดวงจร และต้นทุนการควบคุม เป็นปัจจัยหลักที่ผลักดันให้เกิดตัวเก็บประจุชนิดใหม่ ผู้ผลิตกำลังใช้เทคโนโลยีขั้นสูงเพื่อผลิตตัวเก็บประจุชนิดใหม่เพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ตัวเก็บประจุประสิทธิภาพสูงที่มีค่า ESL ต่ำมากกำลังเข้ามาแทนที่ ตัวเก็บ ประจุเซรามิกแทนทาลัม และอะลูมิเนียม แบบ เดิม ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลัมโพลิเมอร์และตัวเก็บประจุแบบอะลูมิเนียมโพลิเมอร์เป็นหนึ่งในโซลูชันใหม่สำหรับการใช้งานแบบแยกส่วนในวงจรประสิทธิภาพสูง ตัวเก็บประจุที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำมากเหล่านี้ใช้พื้นที่น้อยกว่ามาก และมีต้นทุนการผลิตที่สมเหตุสมผล

การเหนี่ยวนำปรสิตในตัวเก็บประจุเซรามิก

ตัวเก็บประจุเซรามิกมักใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับงานแยกวงจร แบบจำลองวงจรสมมูลของตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้นทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบสามส่วน ได้แก่ ตัวเก็บประจุ ความต้านทานอนุกรม และความเหนี่ยวนำปรสิต สำหรับงานแยกวงจรในระบบดิจิทัลความเร็วสูง ความเหนี่ยวนำของ MLCC เป็นปัจจัยสำคัญ เนื่องจากแรงดันริปเปิลขึ้นอยู่กับความเหนี่ยวนำ วงจรกระแสเป็นลักษณะทางกายภาพหลักที่กำหนดความเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูล ค่า ESL จะเพิ่มขึ้นตามขนาดของวงจรกระแสที่เพิ่มขึ้น

ในตัวเก็บประจุแบบชิป ค่าความเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูลถูกกำหนดโดยระยะห่างระหว่างขั้วปลายทั้งสองข้างอย่างมาก เนื่องจากตัวเก็บประจุที่มีวงรอบกระแสเล็กกว่าจะมีค่าความเหนี่ยวนำต่ำกว่า การลดระยะห่างระหว่างขั้วปลายทั้งสองข้างของตัวเก็บประจุจึงช่วยลดขนาดของวงรอบกระแส การใช้วงรอบกระแสตรงข้ามจะช่วยลดค่าความเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูลในตัวเก็บประจุแบบติดตั้งบนพื้นผิวได้มากขึ้น การลดค่าความเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูลในตัวเก็บประจุแบบติดตั้งบนพื้นผิวสามารถทำได้อย่างมีนัยสำคัญโดยการปรับปรุงโครงสร้างของตัวเก็บประจุแบบติดตั้งบนพื้นผิว

ในตัวเก็บประจุแบบบายพาส ความถี่เรโซแนนซ์จะขึ้นอยู่กับค่าเหนี่ยวนำปรสิต ผลขององค์ประกอบปรสิตนี้พบได้บ่อยมากขึ้นในการใช้งานความถี่สูง ดังนั้น วิศวกรออกแบบจึงจำเป็นต้องวัดค่าเหนี่ยวนำของตัวเก็บประจุสำหรับวงจรดิจิทัลความเร็วสูง

ในตัวเก็บประจุแบบแยกวงจรที่ติดตั้งบน PCB ความเหนี่ยวนำจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างแผ่นยึดเป็นหลัก กระแสไหลผ่านลูปที่อธิบายได้ด้วยองค์ประกอบสามประการ ได้แก่ ความสูงของตัวเก็บประจุ การกระจายตัวของระนาบกำลัง และการจัดวางแผ่นยึด เนื่องจากความเหนี่ยวนำของวงจรสมมูลจะเพิ่มขึ้นตามขนาดของลูปกระแสที่เพิ่มขึ้น จึงทำให้ค่าความเหนี่ยวนำลดลงน้อยที่สุดโดยการตรวจสอบให้แน่ใจว่าเวียร์กำลังไฟฟ้า (Vdd) และกราวด์ (Gnd) อยู่ใกล้กัน วิธีอื่นๆ ในการลดความเหนี่ยวนำให้น้อยที่สุด ได้แก่ การเลือกรูปแบบแผ่นยึดที่เหมาะสมและการใช้เวียร์ที่สั้นลง

ตัวเก็บประจุความจุสูงมักจะมีค่า ESL สูง และในทางกลับกัน เมื่อออกแบบวงจรดิจิทัล วิศวกรควรพิจารณาทั้งค่าความจุและความเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูล ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้นที่มีความเหนี่ยวนำต่ำจะถูกวางไว้ใกล้กับโหลด เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุแทนทาลัมและอะลูมิเนียมทั่วไป ตัวเก็บประจุแบบ MLCC มีค่าเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูลต่ำกว่า หากพื้นที่ไม่ใช่ปัญหา ตัวเก็บประจุแบบ MLCC สามารถเชื่อมต่อแบบขนานเพื่อให้ได้ค่าเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูลต่ำมาก

เทคโนโลยี MLCC มอบความยืดหยุ่นในการออกแบบในระดับสูง เพื่อลดความเหนี่ยวนำตนเองด้วยการกำหนดค่าและโซลูชันการออกแบบที่หลากหลาย ดูตัวอย่างภาพด้านขวา: ตัวเก็บประจุเซรามิกเหนี่ยวนำต่ำ LICC

การเหนี่ยวนำปรสิตในตัวเก็บประจุแทนทาลัม

ตัวเก็บประจุแทนทาลัมมักใช้ในงานที่ต้องการความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูง เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุชนิดอื่นๆ ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีค่า ESR และ ESL ที่เป็นปรสิต ในตัวเก็บประจุแทนทาลัม กระแสการนำจะไหลผ่านตัวนำที่มีขนาดจำกัด ความเหนี่ยวนำปรสิตของตัวเก็บประจุแทนทาลัมเกิดจากตัวนำเหล่านี้ ค่าความจุของตัวเก็บประจุแทนทาลัมมีผลกระทบต่อความเหนี่ยวนำปรสิตเพียงเล็กน้อย นอกจากนี้ ซึ่งแตกต่างจาก ESR ค่า ESL ของตัวเก็บประจุแทนทาลัมยังคงค่อนข้างคงที่ในช่วงความถี่ที่กว้าง ในตัวเก็บประจุแทนทาลัม ความเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูลจะลดลงเหลือน้อยที่สุดโดยใช้ขั้วต่อแบบคว่ำหน้า การใช้ขั้วต่อแบบคว่ำหน้าช่วยลดพื้นที่ของลูป จึงช่วยลดความเหนี่ยวนำปรสิต

โดยทั่วไปแล้ว ตัวเก็บประจุแทนทาลัมจะถูกจำกัดการใช้งานเฉพาะกับความถี่ต่ำ ประสิทธิภาพอันน่าประทับใจของตัวเก็บประจุแทนทาลัมเหนี่ยวนำต่ำแบบคว่ำหน้า (undertab) ได้ก่อให้เกิดการประยุกต์ใช้งานใหม่ๆ สำหรับตัวเก็บประจุแทนทาลัมในเครือข่ายจ่ายไฟฟ้า (PDN) สำหรับการใช้งานแบบแยกส่วนในวงจรดิจิทัลประสิทธิภาพสูง ตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลิเมอร์เหนี่ยวนำต่ำมีประสิทธิภาพดีกว่าตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์เซรามิกและอะลูมิเนียมทั่วไป คุณสมบัติอื่นๆ ที่ทำให้ตัวเก็บประจุแทนทาลัมเหนี่ยวนำต่ำเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับวงจรประสิทธิภาพสูง ได้แก่ ค่า ESR ต่ำและความจุสูงปานกลาง

การเหนี่ยวนำปรสิตในตัวเก็บประจุไฟฟ้าอะลูมิเนียม

เป็นเวลานานแล้วที่นักออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมแบบเปียกสำหรับงานแยกวงจรจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม ค่า ESL และ ESR ที่ค่อนข้างสูงของตัวเก็บประจุเหล่านี้ทำให้การตอบสนองช้าลงและประสิทธิภาพลดลง ตัวเก็บประจุโพลีเมอร์อะลูมิเนียมมีคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพที่ดีกว่า และกำลังเข้ามาแทนที่ตัวเก็บประจุอะลูมิเนียมแบบเปียกสำหรับงานแยกวงจรจำนวนมาก ซึ่งแตกต่างจากตัวเก็บประจุอะลูมิเนียมทั่วไป ตัวเก็บประจุรุ่นใหม่เหล่านี้ใช้โพลีเมอร์นำไฟฟ้าเป็นอิเล็กโทรไลต์ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุแบบวาล์วโลหะยังช่วยให้ใช้ส่วนประกอบน้อยลง จึงประหยัดพื้นที่และลดต้นทุน

ในคอมพิวเตอร์และวงจรดิจิทัลประสิทธิภาพสูงอื่นๆ ตัวเก็บประจุอะลูมิเนียมโพลีเมอร์และตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลีเมอร์ถูกนำมาใช้สำหรับงานแยกวงจรจำนวนมาก นอกจากค่า ESL ที่ต่ำมากแล้ว ตัวเก็บประจุแบบวาล์วโลหะเหล่านี้ยังมีค่า ESR ที่ต่ำมาก ใช้พื้นที่น้อย ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูง และความจุสูงปานกลาง อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุอะลูมิเนียมทั่วไป ตัวเก็บประจุแบบวาล์วโลหะมีราคาผลิตสูงกว่า

บทสรุป

ตัวเก็บประจุเป็นองค์ประกอบพื้นฐานในวงจรดิจิทัลส่วนใหญ่ ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน (Decoupling Capacitor) ถูกใช้อย่างแพร่หลายในชิปหน่วยความจำความเร็วสูงและไมโครโปรเซสเซอร์ ในขณะที่ตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์แบบสามารถถ่ายโอนพลังงานที่สะสมไว้ทั้งหมดไปยังโหลดได้ในทันที แต่ตัวเก็บประจุจริงไม่สามารถทำได้

ส่วนประกอบปรสิตในตัวเก็บประจุจริงจะป้องกันการถ่ายโอนพลังงานที่สะสมไว้ไปยังโหลดในทันที ดังนั้น แบบจำลองวงจรสมมูลของตัวเก็บประจุจริงจึงมีส่วนประกอบแบบคาปาซิทีฟ ตัวต้านทาน และตัวเหนี่ยวนำ ส่วนประกอบ RLC เหล่านี้มักเรียกว่า ความจุอนุกรมสมมูล ความต้านทานอนุกรมสมมูล และตัวเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูล

ความเร็วที่พลังงานถูกถ่ายโอนไปยังโหลดถูกกำหนดโดยค่าความเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูลของตัวเก็บประจุ ความเร็วนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อค่า ESL ลดลง วงจรดิจิทัลในปัจจุบันมีความเร็วในการสลับที่สูงขึ้นและต้องการตัวเก็บประจุที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำ ความต้องการตัวเก็บประจุที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำมากยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อความเร็วในการสลับเพิ่มขึ้น

ผู้ผลิตกำลังพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตตัวเก็บประจุอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองประสิทธิภาพที่วงจรดิจิทัลความเร็วสูงต้องการในปัจจุบัน