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 dels semiconductors. als components passius, i els condensadors han estat escassos1.
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. Després, 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 els 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, hauria de tenir una bona comprensió de l'ús dels condensadors.
Fa anys, quan treballava en una empresa que fabricava equips electrònics, vam tenir una pregunta d'entrevista per a un enginyer en electrònica de potència. Sobre el diagrama esquemàtic del producte existent, preguntarem als candidats potencials "Quina és la funció de l'electrolític de l'enllaç DC? condensador?" i "Quina és la funció del condensador ceràmic 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 a l'equip de disseny mira els condensadors des d'una perspectiva de circuit simple, no des d'una perspectiva de teoria de camps. El punt de vista de la teoria de circuits no és incorrecte. A freqüències baixes (a partir d'uns pocs kHz). a uns pocs MHz), la teoria de circuits normalment pot explicar bé el problema. Això és perquè a freqüències més baixes, el senyal es troba principalment en mode diferencial. Mitjançant 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. No obstant això, 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, portaria les meves ulleres d'observació de 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 en termes de 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, podem definir simplement 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, el material dielèctric, 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. Atès que l'energia viatja a la velocitat de la llum (la meitat). la velocitat de la llum en 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 mai es transferirà en un viatge, sinó en múltiples viatges d'anada i tornada5, és per això que quan l'interruptor canvia ràpidament, veiem 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 la transferència d'energia requereixi temps i múltiples viatges d'anada i tornada ens indica que hem de localitzar la font d'energia el més a prop possible de la càrrega, i hem de trobar una manera de transferir energia ràpidament. distància entre la càrrega, l'interruptor i el condensador. Aquest 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. 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 camp 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 crear un convertidor DC-DC reduït per demostrar-ho. La configuració de prova de compatibilitat electromagnètica que es mostra a la figura 4 realitza una exploració d'emissions entre 150 kHz i 108 MHz.
És important assegurar-se que els condensadors utilitzats en aquest estudi de cas 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 de el 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 l'ESL com l'ESR es redueixen a la meitat. Des del punt de vista de la teoria de camps, 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. No obstant això, 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 d'energia de pas suficient. Quan s'apropa 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 pas de més energia. Si és possible, utilitzeu alguns components capacitius més petits. Hi ha moltes bones raons per això. El primer és el cost. Generalment parlant, 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 per al disseny del producte. La tercera raó és el rendiment EMC que vam veure en el cas pràctic.
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 a 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 es fa 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 de la placa. 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 una altra capacitat. valor 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 preferits 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 un 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 el valor de capacitat de el condensador X només cau 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.
Llavors, què va passar? L'aire d'humitat pot filtrar-se al condensador, amunt del cable i entre la caixa i el compost epoxi. La metal·lització d'alumini es pot oxidar. L'alúmina és un bon aïllant elèctric, reduint així la capacitat. Aquest és un problema que es trobaran tots els condensadors de pel·lícula. El problema del qual parlo és el gruix de la pel·lícula. Les marques de condensadors de renom utilitzen pel·lícules més gruixudes, donant com a resultat 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 cal que us preocupeu. 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 llavors 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 el valor ha de ser mínim.
En aquest article, es va presentar per primera vegada la visió de la teoria de camp dels condensadors. Els exemples pràctics i els resultats de la simulació mostren com seleccionar i utilitzar els tipus de condensadors més comuns. Espero que aquesta informació us ajudi a entendre el paper dels condensadors en el disseny electrònic i EMC de manera més completa.
El Dr. Min Zhang és el fundador i consultor en cap EMC de Mach One Design Ltd, una empresa d'enginyeria amb seu al Regne Unit especialitzada en consultoria, resolució de problemes i formació EMC. El seu coneixement profund en electrònica de potència, electrònica digital, motors i disseny de productes s'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