správy

Kondenzátory sú jedným z najčastejšie používaných komponentov na doskách plošných spojov. Keďže počet elektronických zariadení (od mobilných telefónov až po autá) neustále narastá, rastie aj dopyt po kondenzátoroch. Pandémia Covid 19 narušila globálny dodávateľský reťazec komponentov od polovodičov až po pasívne komponenty a kondenzátorov je nedostatok1.
Diskusie na tému kondenzátorov sa dajú ľahko premeniť na knihu alebo slovník. Po prvé, existujú rôzne typy kondenzátorov, ako sú elektrolytické kondenzátory, filmové kondenzátory, keramické kondenzátory atď. Potom v rovnakom type existujú rôzne dielektrické materiály. Existujú aj rôzne triedy. Pokiaľ ide o fyzickú štruktúru, existujú typy kondenzátorov s dvomi a tromi svorkami. Existuje aj kondenzátor typu X2Y, čo je v podstate pár Y kondenzátorov zapuzdrených do jedného. A čo superkondenzátory? Faktom je, že ak si sadnete a začnete čítať sprievodcov výberom kondenzátorov od hlavných výrobcov, môžete ľahko stráviť deň!
Keďže tento článok je o základoch, použijem inú metódu ako obvykle. Ako už bolo spomenuté vyššie, sprievodcov výberom kondenzátorov možno ľahko nájsť na webových stránkach dodávateľov 3 a 4 a technici v teréne zvyčajne dokážu odpovedať na väčšinu otázok o kondenzátoroch. V tomto článku nebudem opakovať to, čo nájdete na internete, ale na praktických príkladoch predvediem výber a použitie kondenzátorov. Pokryté budú aj niektoré menej známe aspekty výberu kondenzátora, ako je degradácia kapacity. Po prečítaní tohto článku by ste mali dobre rozumieť použitiu kondenzátorov.
Pred rokmi, keď som pracoval vo firme, ktorá vyrábala elektronické zariadenia, sme mali otázku na pohovor pre inžiniera výkonovej elektroniky. Na schematickom diagrame existujúceho produktu sa potenciálnych kandidátov opýtame: „Aká je funkcia elektrolytického kondenzátora medziobvodu? a "Aká je funkcia keramického kondenzátora umiestneného vedľa čipu?" Dúfame, že správna odpoveď je kondenzátor DC zbernice Používa sa na skladovanie energie, keramické kondenzátory sa používajú na filtrovanie.
„Správna“ odpoveď, ktorú hľadáme, v skutočnosti ukazuje, že každý v dizajnérskom tíme sa pozerá na kondenzátory z pohľadu jednoduchého obvodu, nie z pohľadu teórie poľa. Uhol pohľadu teórie obvodov nie je zlý. Pri nízkych frekvenciách (od niekoľkých kHz do niekoľkých MHz) môže teória obvodov zvyčajne dobre vysvetliť problém. Pri nižších frekvenciách je totiž signál hlavne v diferenciálnom režime. Pomocou teórie obvodov môžeme vidieť kondenzátor znázornený na obrázku 1, kde ekvivalentný sériový odpor (ESR) a ekvivalentná sériová indukčnosť (ESL) spôsobujú zmenu impedancie kondenzátora s frekvenciou.
Tento model plne vysvetľuje výkon obvodu, keď sa obvod spína pomaly. Ako sa však frekvencia zvyšuje, veci sa stávajú čoraz komplikovanejšími. V určitom bode komponent začne vykazovať nelinearitu. Keď sa frekvencia zvýši, jednoduchý model LCR má svoje obmedzenia.
Ak by som dnes dostal rovnakú otázku na pohovore, nasadil by som si okuliare na pozorovanie z teórie poľa a povedal by som, že oba typy kondenzátorov sú zariadenia na ukladanie energie. Rozdiel je v tom, že elektrolytické kondenzátory dokážu uložiť viac energie ako keramické kondenzátory. Ale pokiaľ ide o prenos energie, keramické kondenzátory môžu prenášať energiu rýchlejšie. To vysvetľuje, prečo je potrebné keramické kondenzátory umiestniť vedľa čipu, pretože čip má vyššiu spínaciu frekvenciu a rýchlosť spínania v porovnaní s hlavným napájacím obvodom.
Z tohto pohľadu môžeme jednoducho definovať dva výkonové štandardy pre kondenzátory. Jednou je, koľko energie dokáže kondenzátor uložiť, a druhou je, ako rýchlo sa táto energia môže preniesť. Obe závisia od spôsobu výroby kondenzátora, dielektrického materiálu, spojenia s kondenzátorom atď.
Keď je spínač v obvode zatvorený (pozri obrázok 2), znamená to, že záťaž potrebuje energiu zo zdroja energie. Rýchlosť, pri ktorej sa tento spínač zatvára, určuje naliehavosť potreby energie. Keďže energia sa pohybuje rýchlosťou svetla (polovičná rýchlosť svetla v materiáloch FR4), prenos energie trvá určitý čas. Okrem toho existuje nesúlad impedancie medzi zdrojom a prenosovým vedením a záťažou. To znamená, že energia sa nikdy neprenesie v rámci jednej cesty, ale vo viacerých spiatočných trasách5, a preto pri rýchlom prepnutí spínača uvidíme oneskorenie a zvonenie v priebehu spínania.
Obrázok 2: Trvá určitý čas, kým sa energia šíri v priestore; impedančný nesúlad spôsobuje viacnásobné cyklické cesty prenosu energie.
Skutočnosť, že dodávka energie si vyžaduje čas a niekoľko spiatočných ciest, nám hovorí, že energiu musíme presunúť čo najbližšie k záťaži a musíme nájsť spôsob, ako ju rýchlo dodať. Prvý sa zvyčajne dosiahne zmenšením fyzickej vzdialenosti medzi záťažou, spínačom a kondenzátorom. To sa dosiahne zhromaždením skupiny kondenzátorov s najmenšou impedanciou.
Teória poľa tiež vysvetľuje, čo spôsobuje šum v bežnom režime. Stručne povedané, hluk spoločného režimu sa generuje, keď nie je počas spínania splnená požiadavka na energiu záťaže. Preto bude energia uložená v priestore medzi záťažou a blízkymi vodičmi poskytnutá na podporu skokového dopytu. Priestor medzi záťažou a blízkymi vodičmi je to, čo nazývame parazitná/vzájomná kapacita (pozri obrázok 2).
Nasledujúce príklady používame na demonštráciu toho, ako používať elektrolytické kondenzátory, viacvrstvové keramické kondenzátory (MLCC) a filmové kondenzátory. Na vysvetlenie výkonu vybraných kondenzátorov sa používa teória obvodov aj teória poľa.
Elektrolytické kondenzátory sa používajú hlavne v jednosmernom medziobvode ako hlavný zdroj energie. Výber elektrolytického kondenzátora často závisí od:
Pre výkon EMC sú najdôležitejšími charakteristikami kondenzátorov impedančné a frekvenčné charakteristiky. Nízkofrekvenčné vedené emisie vždy závisia od výkonu kondenzátora medziobvodu.
Impedancia medziobvodu nezávisí len od ESR a ESL kondenzátora, ale aj od oblasti tepelnej slučky, ako je znázornené na obrázku 3. Väčšia plocha tepelnej slučky znamená, že prenos energie trvá dlhšie, takže výkon budú ovplyvnené.
Na dôkaz toho bol skonštruovaný zostupný DC-DC menič. Nastavenie testu EMC pred zhodou zobrazené na obrázku 4 vykonáva skenovanie vedené emisie medzi 150 kHz a 108 MHz.
Je dôležité zabezpečiť, aby všetky kondenzátory použité v tejto prípadovej štúdii boli od rovnakého výrobcu, aby sa predišlo rozdielom v impedančných charakteristikách. Pri spájkovaní kondenzátora na DPS sa uistite, že tam nie sú žiadne dlhé vodiče, pretože to zvýši ESL kondenzátora. Obrázok 5 zobrazuje tri konfigurácie.
Výsledky vedené emisie týchto troch konfigurácií sú znázornené na obrázku 6. Je možné vidieť, že v porovnaní s jedným 680 µF kondenzátorom dosahujú dva 330 µF kondenzátory výkon zníženia hluku o 6 dB v širšom frekvenčnom rozsahu.
Z teórie obvodov sa dá povedať, že paralelným zapojením dvoch kondenzátorov sa ESL aj ESR znížia na polovicu. Z hľadiska teórie poľa neexistuje iba jeden zdroj energie, ale dva zdroje energie sú dodávané do rovnakej záťaže, čím sa efektívne skracuje celkový čas prenosu energie. Pri vyšších frekvenciách sa však rozdiel medzi dvoma 330 µF kondenzátormi a jedným 680 µF kondenzátorom zmenšuje. Vysokofrekvenčný šum totiž naznačuje nedostatočnú odozvu krokovej energie. Pri premiestňovaní 330 µF kondenzátora bližšie k prepínaču znížime čas prenosu energie, čím sa efektívne zvýši skoková odozva kondenzátora.
Výsledok nám hovorí veľmi dôležité ponaučenie. Zvýšenie kapacity jedného kondenzátora vo všeobecnosti nepodporí skokovú potrebu väčšej energie. Ak je to možné, použite menšie kapacitné súčiastky. Je na to veľa dobrých dôvodov. Prvým sú náklady. Všeobecne povedané, pri rovnakej veľkosti balenia sa cena kondenzátora zvyšuje exponenciálne s hodnotou kapacity. Použitie jedného kondenzátora môže byť drahšie ako použitie niekoľkých menších kondenzátorov. Druhým dôvodom je veľkosť. Limitujúcim faktorom v dizajne produktu je zvyčajne výška komponentov. Pri veľkokapacitných kondenzátoroch je výška často príliš veľká, čo nie je vhodné pre dizajn produktu. Tretím dôvodom je výkonnosť EMC, ktorú sme videli v prípadovej štúdii.
Ďalším faktorom, ktorý je potrebné zvážiť pri použití elektrolytického kondenzátora, je to, že keď zapojíte dva kondenzátory do série na zdieľanie napätia, budete potrebovať vyvažovací odpor 6.
Ako už bolo spomenuté, keramické kondenzátory sú miniatúrne zariadenia, ktoré dokážu rýchlo poskytnúť energiu. Často dostávam otázku „Koľko kondenzátora potrebujem? Odpoveď na túto otázku je, že pre keramické kondenzátory by hodnota kapacity nemala byť taká dôležitá. Tu je dôležité zvážiť, pri akej frekvencii je rýchlosť prenosu energie dostatočná pre vašu aplikáciu. Ak vedené vyžarovanie zlyhá pri 100 MHz, potom bude dobrou voľbou kondenzátor s najmenšou impedanciou pri 100 MHz.
Toto je ďalšie nedorozumenie MLCC. Videl som inžinierov stráviť veľa energie výberom keramických kondenzátorov s najnižším ESR a ESL pred pripojením kondenzátorov k referenčnému bodu RF cez dlhé stopy. Stojí za zmienku, že ESL MLCC je zvyčajne oveľa nižšia ako indukčnosť pripojenia na doske. Indukčnosť pripojenia je stále najdôležitejším parametrom ovplyvňujúcim vysokofrekvenčnú impedanciu keramických kondenzátorov7.
Obrázok 7 ukazuje zlý príklad. Dlhé stopy (dĺžka 0,5 palca) zavádzajú aspoň 10nH indukčnosť. Výsledok simulácie ukazuje, že impedancia kondenzátora je oveľa vyššia, ako sa očakávalo vo frekvenčnom bode (50 MHz).
Jedným z problémov MLCC je, že majú tendenciu rezonovať s indukčnou štruktúrou na doske. Toto je možné vidieť na príklade znázornenom na obrázku 8, kde použitie 10 uF MLCC zavádza rezonanciu pri približne 300 kHz.
Rezonanciu môžete znížiť výberom komponentu s väčším ESR alebo jednoduchým zapojením odporu s malou hodnotou (napríklad 1 ohm) do série s kondenzátorom. Tento typ metódy využíva stratové komponenty na potlačenie systému. Ďalšou metódou je použitie inej hodnoty kapacity na presun rezonancie do nižšieho alebo vyššieho rezonančného bodu.
Filmové kondenzátory sa používajú v mnohých aplikáciách. Sú to kondenzátory voľby pre vysokovýkonné DC-DC konvertory a používajú sa ako filtre na potlačenie EMI na elektrických vedeniach (AC a DC) a konfiguráciách filtrovania v bežnom režime. Ako príklad berieme X kondenzátor na ilustráciu niektorých hlavných bodov použitia filmových kondenzátorov.
Ak dôjde k prepätiu, pomáha to obmedziť špičkové napätie na vedení, takže sa zvyčajne používa s tlmičom prechodového napätia (TVS) alebo varistorom z oxidu kovu (MOV).
Toto všetko už možno viete, ale vedeli ste, že hodnota kapacity X kondenzátora sa môže rokmi používania výrazne znížiť? To platí najmä vtedy, ak sa kondenzátor používa vo vlhkom prostredí. Videl som, že hodnota kapacity kondenzátora X klesla iba na niekoľko percent svojej menovitej hodnoty v priebehu roka alebo dvoch, takže systém pôvodne navrhnutý s kondenzátorom X v skutočnosti stratil všetku ochranu, ktorú by mohol mať predný kondenzátor.
Takže, čo sa stalo? Vlhký vzduch môže unikať do kondenzátora, po drôte a medzi krabicu a epoxidovú zalievaciu hmotu. Pokovovanie hliníka sa potom môže oxidovať. Alumina je dobrý elektrický izolant, čím sa znižuje kapacita. Toto je problém, s ktorým sa stretnú všetky filmové kondenzátory. Problémom, o ktorom hovorím, je hrúbka filmu. Renomované značky kondenzátorov používajú hrubšie fólie, čo vedie k väčším kondenzátorom ako u iných značiek. Tenší film spôsobuje, že kondenzátor je menej odolný voči preťaženiu (napätiu, prúdu alebo teplote) a je nepravdepodobné, že by sa sám uzdravil.
Ak kondenzátor X nie je trvalo pripojený k zdroju napájania, nemusíte sa obávať. Napríklad pre produkt, ktorý má pevný prepínač medzi napájacím zdrojom a kondenzátorom, môže byť veľkosť dôležitejšia ako životnosť a potom si môžete vybrať tenší kondenzátor.
Ak je však kondenzátor trvalo pripojený k zdroju energie, musí byť vysoko spoľahlivý. Oxidácia kondenzátorov nie je nevyhnutná. Ak je epoxidový materiál kondenzátora kvalitný a kondenzátor nie je často vystavený extrémnym teplotám, pokles hodnoty by mal byť minimálny.
V tomto článku sme prvýkrát predstavili pohľad na teóriu poľa kondenzátorov. Praktické príklady a výsledky simulácií ukazujú, ako vybrať a použiť najbežnejšie typy kondenzátorov. Dúfame, že tieto informácie vám pomôžu komplexnejšie pochopiť úlohu kondenzátorov v elektronickom a EMC dizajne.
Dr. Min Zhang je zakladateľom a hlavným konzultantom EMC Mach One Design Ltd, inžinierskej spoločnosti so sídlom v Spojenom kráľovstve, ktorá sa špecializuje na poradenstvo v oblasti EMC, riešenie problémov a školenia. Jeho hlboké znalosti v oblasti výkonovej elektroniky, digitálnej elektroniky, motorov a produktového dizajnu boli prínosom pre spoločnosti po celom svete.
In Compliance je hlavným zdrojom správ, informácií, vzdelávania a inšpirácie pre odborníkov v elektrotechnike a elektrotechnike.
Letectvo Automobilový priemysel Komunikácia Spotrebná elektronika Vzdelávanie Energetika a energetika Informačné technológie Zdravotníctvo, armáda a národná obrana