Parasitäre Effekte Wie Kondensatoren mit drei Anschlüssen unerwünschte Induktivitäten minimieren können

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Murata Electronics Europe B.V.

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Arbeit mit idealen Komponenten ermöglicht es Ingenieuren, sich über ihre Konstruktionsabsicht im Klaren zu sein. Die Physik der Realität verlangt jedoch, dass sie auch die parasitären Effekte berücksichtigen, die durch reale Ströme in realen Geräten entstehen.

Im Physikunterricht haben wir gelernt, dass ein magnetisches Feld erzeugt wird, wenn ein Leiter von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Bei vielen Schaltungsentwicklungen wird diese grundlegende Tatsache jedoch als störend angesehen und außer Acht gelassen, damit die Entwickler mit ‚idealen‘ passiven Bauelementen arbeiten können, die ausschließlich den angegebenen Widerstands-, Kapazitäts- oder Induktivitätswert aufweisen. Wird eine solcherart entwickelte Schaltung dann aber real implementiert, können die physikalischen Realitäten nicht mehr verdrängt werden und die Designer müssen mit den sekundären (parasitären) Effekten der von ihnen verwendeten Bauteile irgendwie zurechtkommen. Inzwischen kommen allerdings passive Bauelemente wie Kondensatoren mit drei Anschlüssen auf den Markt, um den hohen Anforderungen neuer Anwendungen, zu denen unter anderem Fahrassistenzsysteme gehören, gerecht zu werden.

Der Kondensator in Bild 2 veranschaulicht diese Problematik, denn er weist neben der eigentlich gewünschten Kapazität C drei weiteren Größen auf: R_ISOL, R_ESR und L_ESL.

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Bei R_ESR handelt es sich um den äquivalenten Serienwiderstand der Anschlüsse und Elektroden des Kondensators. L_ESL dagegen ist die äquivalente Serieninduktivität bzw. effektiv die parasitäre Induktivität, die durch den Stromfluss in den Anschlüssen und Elektroden des Kondensators vorhanden ist. Diese parasitären Effekte sind besonders dann unerwünscht, wenn sie relativ hohe Werte haben. Ein hoher R_ESR-Wert hat zur Folge, dass die im Kondensator fließende elektrische Energie zum Teil in Wärme verwandelt wird, was die Alterung des Bauelements beschleunigt und zulasten seiner Lebensdauer geht. Hohe L_ESL-Werte wiederum rufen unerwünschte Ströme im Bauelement hervor, die elektromagnetische Interferenzen (EMI) erzeugen. Dieser Effekt gewinnt zudem an Brisanz, je höher die Ströme infolge der zunehmenden Funktionsintegration werden. Darüber hinaus führen hohe L_ESL-Werte dazu, dass die parasitäre Induktivität des Kondensators, die mit seiner Kapazität in Reihe geschaltet ist, eine reaktive Schaltung mit frequenzabhängigen Impedanzeigenschaften bildet. Indem man den L_ESL-Wert des Kondensators verringert, trägt man folglich dazu bei, dass das Bauelement sein kapazitives Verhalten bis in höhere Frequenzbereiche beibehält, als es sonst möglich wäre.

Wie lässt sich die äquivalente Serieninduktivität reduzieren?

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den L_ESL-Wert eines Kondensators zu reduzieren. Zum einen kann man die Abmessungen des Kondensators verringern (Bild 1), indem man durch die Verwendung besserer Werkstoffe die Ladungsspeicherdichte erhöht. Durch diese Maßnahme werden die Stromwege im Kondensator kürzer, und das elektromagnetische Feld im Bauelement wird schwächer.

Als weitere geeignete Maßnahme lassen sich die Kondensatoren so auf der Leiterplatte befestigen, dass die Länge der Stromschleife zwischen ihren Elektroden minimiert wird. Außerdem sollten zugehörige Vias in möglichst geringem Abstand zu den Kondensatoren platziert werden. Die vierte und grundlegendste Möglichkeit, parasitäre Induktivitäten zu verringern, besteht jedoch im Abändern der Geometrie des Kondensators durch Hinzufügen eines dritten Anschlusses.

Verkleinern von Kondensatoren zum Absenken der äquivalenten Serieninduktivität

Durch das Verkleinern eines Kondensators wird der L_ESL-Wert tatsächlich reduziert. Allerdings sinkt dadurch auch der Kapazitätswert, sodass mehrere Bauelemente parallelgeschaltet werden müssen, um dieselben Eigenschaften zu erreichen. Diese Maßnahme erfordert deshalb ein Abändern der Leiterplatte, was den Zeitaufwand vergrößert und unter Umständen auch Auswirkungen auf andere Bereiche der Schaltung hat.

Eine weitere Möglichkeit ist es, das Längen-Breiten-Verhältnis des Kondensators zu modifizieren, damit seine Anschlüsse breiter werden und der Abstand zwischen ihnen sinkt. Dies verkürzt den Stromweg durch das Bauelement und verringert den Widerstand seiner Anschlüsse. Am Leiterplatten-Layout müssen hierbei nur minimale Änderungen vorgenommen werden, denn die Kapazität des Kondensators bleibt unverändert, und seine Geometrie entspricht derjenigen der Ursprungsversion. In Bild 3 ist die standardmäßige Geometrie von Keramik-Vielschichtkondensatoren (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCCs) zu sehen, deren lange und schmale Bauweise zu langen Stromwegen führt.

Bei einem Kondensator mit „umgekehrter Geometrie“ (Bild 4) sind die Anschlüsse dagegen breiter, was ihren Widerstand verringert. Ihr geringerer Abstand verkürzt ferner den Stromweg und reduziert damit das induzierte Feld.

Vorteile von MLCCs mit einem dritten Anschluss

Murata hat eine Reihe von MLCCs mit einem dritten Anschluss entwickelt, der, wie in Bild 5 zu sehen ist, als ein Verbindungspaar ausgeführt ist und zur Reduzierung der äquivalenten Serieninduktivität beiträgt. Die MLCCs der NFM-Serie behalten die Vorteile der Kondensatoren mit umgekehrter Geometrie bei, weisen also kurze Stromwege und große Leiterquerschnitte auf. Durch den dritten Anschluss entstehen außerdem vier parallele Stromwege durch das Bauelement, sodass Störströme unterdrückt werden.

Für den Einsatz dieser Bauelemente müssen geringfügige Änderungen am PCB-Layout vorgenommen werden. Ein Designteam von Murata kann jedoch bei den notwendigen Anpassungen helfen. Die relativ große Kapazität der NFM-Produkte hat zur Folge, dass weniger Bauelemente benötigt werden, als wenn man versuchen würde, den L_ESL-Wert durch Parallelschalten mehrerer Kondensatoren geringerer Kapazität zu reduzieren.

Der dritte Anschluss der Bauelemente ebnet überdies den Weg zu einigen neuartigen Rauschreduzierungs-Strategien.

Die übliche Vorgehensweise bei einem Kondensator mit drei Anschlüssen besteht darin, die Leiterbahn des Signals, das entstört werden soll, zu unterbrechen, den Kondensator einzufügen und den dritten Anschluss mit Masse zu verbinden. Dies verringert den Störstrom in der Leiterbahn und senkt ihren L_ESL-Wert, weil dem Strom jetzt zwei parallele Wege zur Masse zur Verfügung stehen.

Entwickelt wurde ferner ein unkonventionellerer Ansatz zum Stabilisieren der Spannungsschwankungen an einem IC, indem ein Baustein mit drei Anschlüssen als Entkopplungskondensator an seinem Stromversorgungs-Anschluss genutzt wird. Der Kondensator wird dabei parallel zur Stromversorgungs-Leitung geschaltet. Dies halbiert den L_ESL-Wert des Bauelements, senkt die Impedanz des Bypasses und reduziert damit die Schwankungen der IC-Versorgungsspannung.

Es ist hilfreich, wenn die Stromversorgungs- und Masse-Vias der einzelnen ICs auf der Leiterplatte unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, damit sich die von dem in ihnen fließenden Strom erzeugten magnetischen Flüsse gegenseitig aufheben. Dieses Konzept kann die Störaussendungen allerdings nicht so effektiv reduzieren, da ein Teil der Störgrößen durch die Stromversorgungs-Leitung fließt, ohne den Kondensator zu durchlaufen.

Ideale Bauelemente anzusetzen, kann beim ersten Abstecken der Designintention durchaus hilfreich sein. Die realen physikalischen Verhältnisse lassen sich jedoch nicht ausblenden, weshalb die parasitären Effekte, die durch reale Ströme in realen Bauelementen entstehen, ebenfalls berücksichtigt werden müssen. Sorgfältiges Bauelemente-Design sowie Innovationen bei den Werkstoffen, Prozessen und Topologien, wie sie bei den NFM-Kondensatoren mit drei Anschlüssen von Murata zum Tragen kommen, können beim Design beispielsweise von Fahrassistenz-Steuergeräten helfen, möglichst effektive Lösungen zu realisieren. (tk)

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