Un concetto che si apprende nei corsi di fisica delle scuole superiori è il fatto che, quando una carica passa attraverso un conduttore genera un campo elettromagnetico. Nella progettazione iniziale di circuiti elettronici, questa realtà viene considerata un inconveniente e accantonata, in modo che i progettisti possano operare con componenti passivi “ideali”, ovvero che hanno come unico parametro specifico la resistenza, l’induttanza oppure la capacità. Tuttavia, nel momento in cui si passa all’implementazione pratica, il fenomeno fisico non può più essere ignorato e i progettisti devono necessariamente tener conto degli effetti secondari dei componenti che stanno utilizzando. Questo è il motivo dell’introduzione di nuove tecnologie per i componenti passivi, come i condensatori a tre terminali, in grado di soddisfare i complessi requisiti delle odierne applicazioni, tra cui, ad esempio, i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS – Advanced Driver Assistance System).
Prendendo in considerazione il condensatore riportato in figura 1, si può osservare che oltre alla capacità specifica (C ), vi sono altri tre parametri: RISOL, RESR e LESL.
Fig. 1 – Circuito equivalente effettivo di un condensatore
RESR è la resistenza equivalente serie degli elettrodi e dei terminali del condensatore. LESL è l’induttanza equivalente serie, in pratica l’induttanza parassita creata dalla corrente che scorre attraverso gli elettrodi e i terminali del condensatore. Si tratta di un effetto indesiderato, in particolar modo se assume valori relativamente elevati. Una RESR alta trasforma l’energia elettrica che scorre nel condensatore in calore, accelerando l’invecchiamento del dispositivo e riducendone la durata.
Elevati valori di LESL generano interferenze elettromagnetiche (EMI). Questo problema sta assumendo un’importanza sempre maggiore nel momento in cui le correnti aumentano a causa dell’integrazione di un numero crescente di funzionalità. Inoltre, nel caso la LESL assuma alti valori, questa induttanza del condensatore in serie con la sua capacità crea un circuito reattivo con caratteristiche di impedenza dipendenti dalla frequenza. Di conseguenza, la riduzione dell’induttanza LESL permette al condensatore di mantenere il suo comportamento capacitivo a valori di frequenza più elevati rispetto a quelli che sarebbero altrimenti possibili.
Riduzione dell’induttanza equivalente serie
Esistono parecchi metodi per ridurre il valore di LESL nei condensatori. Il primo prevede la realizzazione di condensatori più piccoli che utilizzano materiali sofisticati per incrementare la densità di carica. Questo approccio permette anche di accorciare il percorso della corrente attraverso il condensatore, riducendo in tal modo il campo elettromagnetico generato.
Fig. 2 – Condensatori più piccoli permettono di accorciare i percorsi della corrente, riducendo i campi elettromagnetici indesiderati
Un altro modo consiste nell’assicurare che i condensatori siano montati sulla scheda stampata (PCB) in modo tale da minimizzare la lunghezza dei loop di corrente tra i loro elettrodi magari posizionando strategicamente anche dei vias. In ogni caso, il metodo migliore per ridurre le induttanze parassite prevede la modifica della geometria del condensatore introducendoun terzo terminale.
Condensatori più piccoli per ridurre l’induttanza equivalente serie
La riduzione delle dimensioni dei condensatori contribuisce a ridurre LESL, ma porta a una diminuzione della loro capacità: ciò obbliga all’utilizzo di più condensatori in parallelo per ottenere le prestazioni desiderate. Un approccio di questo tipo richiede, quindi, modifiche al circuito e allo stampato, operazione che richiede tempo e potrebbe influire sulla funzionalità di altre parti del circuito.
Un altro approccio che è possibile adottare contempla la modifica delle proporzioni del condensatore, in modo tale che i suoi terminali siamo più larghi e ravvicinati tra di loro. In questo modo è possibile accorciare il percorso della corrente attraverso il dispositivo e ridurre la resistenza dei suoi terminali. Inoltre, le modifiche richieste a livello della scheda PCB sono minime, poiché la capacità del dispositivo risulta invariata e la sua geometria è identica a quella della versione originale. Nella figura 3 viene riportata la geometria standard di un condensatore ceramico multistrato (MLCC – Multilayer Ceramic Capacitor) caratterizzato da una forma lunga e stretta che crea lunghi percorsi per la corrente.
Fig. 3 – Il layout tradizionale di un condensatore MLCC crea lunghi percorsi di corrente all’interno del dispositivo
In un condensatore con “geometria inversa” come quello riportato in figura 4, i terminali sono più ampi, per cui la loro resistenza risulta inferiore, e più ravvicinati tra di loro, in modo da accorciare il percorso della corrente e ridurre così il campo indotto.
Fig. 4 – In un condensatore con geometria inversa il percorso della corrente attraverso il dispositivo è più breve
I vantaggi dell’aggiunta di un terzo terminale ai condensatori MLCC
Murata ha sviluppato una gamma di condensatori MLCC dotati di un terzo terminale (implementato sotto forma di una coppia di connessioni, come riportato in figura 5) grazie ai quali è possibile ridurre l’induttanza LESL del dispositivo. I condensatori MLCC della serie NFM assicurano tutti i vantaggi dei condensatori con “geometria inversa” come il percorso di corrente più breve e un’area della sezione più ampia per il flusso della corrente. L’aggiunta di un terzo terminale, inoltre, crea quattro percorsi di corrente paralleli attraverso il dispositivo, che permettono di eliminare le correnti di rumore (si faccia riferimento sempre alla figura 5).
Fig. 5 – Un condensatore a tre terminali crea molteplici percorsi per il flusso della corrente
L’utilizzo di questi dispositivi richiede modifiche di lieve entità al layout dei circuiti stampati e, in ogni caso, Murata mette a disposizione un team di progettazione in grado di fornire assistenza per i necessari adeguamenti. La capacità relativamente elevata dei componenti della serie NFM consente, inoltre, ai progettisti di utilizzarne un numero inferiore rispetto a quello che sarebbe necessario nel caso decidessero di limitare l’induttanza LESL facendo ricorso a più dispositivi classici in parallelo con valori di capacità inferiori.
Il terzo terminale di questi dispositivi di Murata consente inoltre di adottare strategie innovative per la riduzione del rumore. Nel caso di un condensatore a tre terminali, l’approccio solitamente adottato prevede di interrompere la traccia della scheda PCB relativa al segnale che si vuole proteggere dal rumore, inserire il condensatore in serie e, quindi, collegare il terzo terminale a massa. In questo modo, è possibile ridurre la corrente EMI che passa attraverso la traccia del circuito e ridurre la sua LESL grazie alla presenza di due percorsi paralleli per la corrente verso massa.
Fig. 6 – Le viste in sezione (a sinistra) e in pianta (a destra) evidenziano in che modo i condensatori a tre terminali possono accorciare i percorsi della corrente indesiderata nelle applicazioni di filtraggio
Per stabilizzare le fluttuazioni di tensione in un circuito integrato è stato sviluppato un metodo originale che prevede l’impiego di un dispositivo a tre terminali come condensatore di bypass sul suo alimentatore. Il condensatore a tre terminali è collegato alla linea di alimentazione senza interrompere la traccia, risultando così in parallelo con essa. Ciò permette di dimezzare il valore di LESL del dispositivo, ridurre l’impedenza del percorso di bypass e quindi attenuare qualsiasi variazione di tensione che interessano il integrato.
Fig. 7 – Le viste in sezione (a sinistra) e in pianta (a destra) evidenziano in che modo i condensatori a tre terminali possono accorciare i percorsi della corrente indesiderata nelle applicazioni di disaccoppiamento
È utile assicurarsi che i vias di potenza e di massa relativi a ciascun circuito integrato presente sulla scheda siano l’una accanto all’altra in modo che i flussi magnetici generati dalla corrente che li attraversa si annullino. Un approccio di questo tipo è meno efficiente nella riduzione delle emissioni EMI in quanto parte del rumore passa attraverso la linea di potenza senza attraversare il condensatore a tre terminali.
Lavorare con i componenti ideali consente ai progettisti di chiarire gli obiettivi dei loro design. Tuttavia, a causa degli effetti fisici reali è necessario che tengano in considerazione gli effetti parassiti generate dalle correnti reali che scorrono nei dispositivi reali. Un’attenta progettazione dei componenti, una scelta accurata dei materiali e dei processi e le innovazioni a livello di topologia come i condensatori della famiglia NFM a tre terminali di Murata possono aiutare i progettisti di sistemi complessi come i controllori per apparati ADAS a sviluppare le soluzioni più efficaci.
