notícies

Els condensadors són un dels components més utilitzats a les plaques de circuit. A mesura que el nombre de dispositius electrònics (des de telèfons mòbils fins a cotxes) continua augmentant, també ho fa la demanda de condensadors. La pandèmia de la Covid-19 ha interromput la cadena de subministrament de components global, des de semiconductors fins a components passius, i els condensadors han estat escasses1.
Les discussions sobre el tema dels condensadors es poden convertir fàcilment en un llibre o un diccionari. En primer lloc, hi ha diferents tipus de condensadors, com ara condensadors electrolítics, condensadors de pel·lícula, condensadors ceràmics, etc. Aleshores, en el mateix tipus, hi ha diferents materials dielèctrics. També hi ha diferents classes. Pel que fa a l'estructura física, hi ha tipus de condensadors de dos i tres terminals. També hi ha un condensador de tipus X2Y, que és essencialment un parell de condensadors Y encapsulats en un. Què passa amb els supercondensadors? El fet és que si us asseieu i comenceu a llegir guies de selecció de condensadors dels principals fabricants, podeu passar el dia fàcilment!
Com que aquest article tracta sobre els conceptes bàsics, utilitzaré un mètode diferent com de costum. Com s'ha esmentat anteriorment, les guies de selecció de condensadors es poden trobar fàcilment als llocs web dels proveïdors 3 i 4, i els enginyers de camp solen respondre a la majoria de preguntes sobre condensadors. En aquest article, no repetiré el que podeu trobar a Internet, sinó que demostraré com triar i utilitzar condensadors mitjançant exemples pràctics. També es tractaran alguns aspectes menys coneguts de la selecció de condensadors, com ara la degradació de la capacitat. Després de llegir aquest article, hauríeu de tenir una bona comprensió de l'ús dels condensadors.
Fa anys, quan treballava en una empresa que fabricava equips electrònics, vam fer una pregunta d'entrevista per a un enginyer en electrònica de potència. Al diagrama esquemàtic del producte existent, preguntarem als candidats potencials "Quina és la funció del condensador electrolític d'enllaç DC?" i "Quina és la funció del condensador ceràmic situat al costat del xip?" Esperem que la resposta correcta sigui el condensador de bus de CC S'utilitza per a l'emmagatzematge d'energia, els condensadors ceràmics s'utilitzen per filtrar.
La resposta "correcta" que busquem demostra realment que tothom de l'equip de disseny mira els condensadors des d'una perspectiva de circuit simple, no des d'una perspectiva de teoria de camp. El punt de vista de la teoria de circuits no és incorrecte. A freqüències baixes (des d'uns pocs kHz fins a uns quants MHz), la teoria de circuits normalment pot explicar bé el problema. Això és degut a que a freqüències més baixes, el senyal es troba principalment en mode diferencial. Utilitzant la teoria de circuits, podem veure el condensador que es mostra a la figura 1, on la resistència en sèrie equivalent (ESR) i la inductància en sèrie equivalent (ESL) fan que la impedància del condensador canviï amb la freqüència.
Aquest model explica completament el rendiment del circuit quan el circuit es canvia lentament. Tanmateix, a mesura que augmenta la freqüència, les coses es tornen més i més complicades. En algun moment, el component comença a mostrar no linealitat. Quan la freqüència augmenta, el model LCR simple té les seves limitacions.
Avui, si em fessin la mateixa pregunta de l'entrevista, em posaria les ulleres d'observació de la teoria de camp i diria que tots dos tipus de condensadors són dispositius d'emmagatzematge d'energia. La diferència és que els condensadors electrolítics poden emmagatzemar més energia que els condensadors ceràmics. Però pel que fa a la transmissió d'energia, els condensadors ceràmics poden transmetre energia més ràpidament. Això explica per què els condensadors ceràmics s'han de col·locar al costat del xip, perquè el xip té una freqüència de commutació i una velocitat de commutació més altes en comparació amb el circuit d'alimentació principal.
Des d'aquesta perspectiva, simplement podem definir dos estàndards de rendiment per als condensadors. Un és la quantitat d'energia que pot emmagatzemar el condensador i l'altre és la rapidesa amb què es pot transferir aquesta energia. Tots dos depenen del mètode de fabricació del condensador, del material dielèctric, de la connexió amb el condensador, etc.
Quan l'interruptor del circuit està tancat (vegeu la figura 2), indica que la càrrega necessita energia de la font d'alimentació. La velocitat a la qual es tanca aquest interruptor determina la urgència de la demanda d'energia. Com que l'energia viatja a la velocitat de la llum (la meitat de la velocitat de la llum en els materials FR4), es necessita temps per transferir energia. A més, hi ha un desajust d'impedància entre la font i la línia de transmissió i la càrrega. Això vol dir que l'energia no es transferirà mai en un sol viatge, sinó en diversos viatges d'anada i tornada5, per això quan l'interruptor es canvia ràpidament, veurem retards i sons en la forma d'ona de commutació.
Figura 2: L'energia necessita temps per propagar-se a l'espai; El desajust d'impedància provoca múltiples viatges d'anada i tornada de transferència d'energia.
El fet que el lliurament d'energia requereix temps i múltiples viatges d'anada i tornada ens diu que hem d'apropar l'energia el més a prop possible de la càrrega i hem de trobar una manera de lliurar-la ràpidament. El primer s'aconsegueix generalment reduint la distància física entre la càrrega, l'interruptor i el condensador. Això últim s'aconsegueix reunint un grup de condensadors amb la menor impedància.
La teoria de camp també explica què causa el soroll en mode comú. En resum, el soroll en mode comú es genera quan la demanda d'energia de la càrrega no es satisfà durant la commutació. Per tant, l'energia emmagatzemada a l'espai entre la càrrega i els conductors propers es proporcionarà per donar suport a la demanda de pas. L'espai entre la càrrega i els conductors propers és el que anomenem capacitat parasitària/mútua (vegeu la figura 2).
Utilitzem els exemples següents per demostrar com utilitzar condensadors electrolítics, condensadors ceràmics multicapa (MLCC) i condensadors de pel·lícula. Tant la teoria de circuits com la de camps s'utilitzen per explicar el rendiment dels condensadors seleccionats.
Els condensadors electrolítics s'utilitzen principalment a l'enllaç DC com a font d'energia principal. L'elecció del condensador electrolític sovint depèn de:
Per al rendiment EMC, les característiques més importants dels condensadors són les característiques d'impedància i freqüència. Les emissions conduïdes de baixa freqüència depenen sempre del rendiment del condensador d'enllaç DC.
La impedància de l'enllaç DC depèn no només de l'ESR i l'ESL del condensador, sinó també de l'àrea del bucle tèrmic, tal com es mostra a la figura 3. Una àrea de bucle tèrmica més gran significa que la transferència d'energia triga més, de manera que el rendiment es veurà afectat.
Es va construir un convertidor DC-DC reduït per demostrar-ho. La configuració de prova d'EMC prèvia al compliment que es mostra a la figura 4 realitza una exploració d'emissions realitzada entre 150 kHz i 108 MHz.
És important assegurar-se que els condensadors utilitzats en aquest cas d'estudi són tots del mateix fabricant per evitar diferències en les característiques d'impedància. Quan soldeu el condensador a la PCB, assegureu-vos que no hi hagi cables llargs, ja que això augmentarà l'ESL del condensador. La figura 5 mostra les tres configuracions.
Els resultats d'emissió realitzada d'aquestes tres configuracions es mostren a la figura 6. Es pot veure que, en comparació amb un únic condensador de 680 µF, els dos condensadors de 330 µF aconsegueixen un rendiment de reducció de soroll de 6 dB en un rang de freqüències més ampli.
Des de la teoria de circuits, es pot dir que connectant dos condensadors en paral·lel, tant ESL com ESR es redueixen a la meitat. Des del punt de vista de la teoria del camp, no només hi ha una font d'energia, sinó que es subministren dues fonts d'energia a la mateixa càrrega, reduint de manera efectiva el temps de transmissió d'energia global. Tanmateix, a freqüències més altes, la diferència entre dos condensadors de 330 µF i un condensador de 680 µF es reduirà. Això es deu al fet que el soroll d'alta freqüència indica una resposta energètica de pas suficient. Quan apropem un condensador de 330 µF a l'interruptor, reduïm el temps de transferència d'energia, la qual cosa augmenta efectivament la resposta de pas del condensador.
El resultat ens explica una lliçó molt important. L'augment de la capacitat d'un únic condensador generalment no suportarà la demanda de més energia. Si és possible, utilitzeu alguns components capacitius més petits. Hi ha moltes bones raons per això. El primer és el cost. En termes generals, per a la mateixa mida de paquet, el cost d'un condensador augmenta exponencialment amb el valor de la capacitat. L'ús d'un sol condensador pot ser més car que l'ús de diversos condensadors més petits. La segona raó és la mida. El factor limitant en el disseny del producte sol ser l'alçada dels components. Per als condensadors de gran capacitat, l'alçada sovint és massa gran, cosa que no és adequada per al disseny del producte. La tercera raó és el rendiment d'EMC que vam veure a l'estudi de cas.
Un altre factor a tenir en compte quan utilitzeu un condensador electrolític és que quan connecteu dos condensadors en sèrie per compartir la tensió, necessitareu una resistència d'equilibri 6.
Com s'ha esmentat anteriorment, els condensadors ceràmics són dispositius en miniatura que poden proporcionar energia ràpidament. Sovint em fan la pregunta "Quant condensador necessito?" La resposta a aquesta pregunta és que per als condensadors ceràmics, el valor de la capacitat no hauria de ser tan important. La consideració important aquí és determinar amb quina freqüència la velocitat de transferència d'energia és suficient per a la vostra aplicació. Si l'emissió conduïda falla a 100 MHz, llavors el condensador amb la impedància més petita a 100 MHz serà una bona opció.
Aquest és un altre malentès de MLCC. He vist que els enginyers gasten molta energia escollint condensadors ceràmics amb ESR i ESL més baixos abans de connectar els condensadors al punt de referència de RF mitjançant traces llargues. Val la pena esmentar que l'ESL de MLCC sol ser molt inferior a la inductància de connexió a la placa. La inductància de connexió segueix sent el paràmetre més important que afecta la impedància d'alta freqüència dels condensadors ceràmics7.
La figura 7 mostra un mal exemple. Les traces llargues (0,5 polzades de llarg) introdueixen almenys 10 nH d'inductància. El resultat de la simulació mostra que la impedància del condensador és molt més alta del que s'esperava en el punt de freqüència (50 MHz).
Un dels problemes dels MLCC és que tendeixen a ressonar amb l'estructura inductiva del tauler. Això es pot veure a l'exemple que es mostra a la figura 8, on l'ús d'un MLCC de 10 µF introdueix ressonància a aproximadament 300 kHz.
Podeu reduir la ressonància escollint un component amb un ESR més gran o simplement posant una resistència de petit valor (com ara 1 ohm) en sèrie amb un condensador. Aquest tipus de mètode utilitza components amb pèrdues per suprimir el sistema. Un altre mètode és utilitzar un altre valor de capacitat per moure la ressonància a un punt de ressonància inferior o superior.
Els condensadors de pel·lícula s'utilitzen en moltes aplicacions. Són els condensadors escollits per als convertidors DC-DC d'alta potència i s'utilitzen com a filtres de supressió EMI a través de línies elèctriques (AC i DC) i configuracions de filtratge de mode comú. Prenem un condensador X com a exemple per il·lustrar alguns dels punts principals de l'ús de condensadors de pel·lícula.
Si es produeix un esdeveniment de sobretensió, ajuda a limitar la tensió màxima de tensió a la línia, de manera que s'utilitza normalment amb un supressor de tensió transitòria (TVS) o varistor d'òxid metàl·lic (MOV).
Potser ja ho sabeu tot això, però sabíeu que el valor de la capacitat d'un condensador X es pot reduir significativament amb anys d'ús? Això és especialment cert si el condensador s'utilitza en un ambient humit. He vist que el valor de la capacitat del condensador X només baixa a un poc per cent del seu valor nominal en un any o dos, de manera que el sistema dissenyat originalment amb el condensador X en realitat va perdre tota la protecció que podria tenir el condensador frontal.
Aleshores, què va passar? L'aire d'humitat pot filtrar-se al condensador, al cable i entre la caixa i el compost epoxi. La metal·lització de l'alumini es pot oxidar. L'alúmina és un bon aïllant elèctric, reduint així la capacitat. Aquest és un problema que trobaran tots els condensadors de pel·lícula. El tema del que parlo és el gruix de la pel·lícula. Les marques de condensadors de bona reputació utilitzen pel·lícules més gruixudes, donant lloc a condensadors més grans que altres marques. La pel·lícula més fina fa que el condensador sigui menys robust a la sobrecàrrega (tensió, corrent o temperatura) i és poc probable que es guareixi.
Si el condensador X no està connectat permanentment a la font d'alimentació, no us haureu de preocupar. Per exemple, per a un producte que té un interruptor dur entre la font d'alimentació i el condensador, la mida pot ser més important que la vida i, a continuació, podeu triar un condensador més prim.
Tanmateix, si el condensador està connectat permanentment a la font d'alimentació, ha de ser altament fiable. L'oxidació dels condensadors no és inevitable. Si el material epoxi del condensador és de bona qualitat i el condensador no s'exposa sovint a temperatures extremes, la caiguda de valor hauria de ser mínima.
En aquest article, es va introduir per primera vegada la visió de la teoria de camp dels condensadors. Exemples pràctics i resultats de simulació mostren com seleccionar i utilitzar els tipus de condensadors més comuns. Espero que aquesta informació us ajudi a entendre de manera més completa el paper dels condensadors en el disseny electrònic i EMC.
El Dr. Min Zhang és el fundador i consultor en cap d'EMC de Mach One Design Ltd, una empresa d'enginyeria amb seu al Regne Unit especialitzada en consultoria, resolució de problemes i formació d'EMC. El seu profund coneixement en electrònica de potència, electrònica digital, motors i disseny de productes ha beneficiat empreses d'arreu del món.
In Compliance és la principal font de notícies, informació, educació i inspiració per als professionals de l'enginyeria elèctrica i electrònica.
Aeroespacial Automoció Comunicacions Electrònica de consum Educació Energia i energia Indústria Tecnologies de la informació Medicina Militar i Defensa Nacional