správy

Kondenzátory sú jedným z najčastejšie používaných komponentov na doskách plošných spojov. Keďže počet elektronických zariadení (od mobilných telefónov po autá) neustále rastie, zvyšuje sa aj dopyt po kondenzátoroch. Pandémia Covid 19 narušila globálny dodávateľský reťazec komponentov od polovodičov na pasívne súčiastky a nedostatok kondenzátorov1.
Diskusie na tému kondenzátory sa dajú ľahko zmeniť na knihu alebo slovník. Po prvé, existujú rôzne typy kondenzátorov, ako sú elektrolytické kondenzátory, filmové kondenzátory, keramické kondenzátory atď. dielektrické materiály.Existujú tiež rôzne triedy.Pokiaľ ide o fyzikálnu štruktúru, existujú typy kondenzátorov s dvomi a tromi koncovkami.Existuje tiež 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, sprievodcov výberom kondenzátorov možno ľahko nájsť na webových stránkach dodávateľov 3 a 4 a na väčšinu otázok o kondenzátoroch môžu zvyčajne odpovedať terénni inžinieri. V tomto článku Nebudem opakovať to, čo môžete nájsť na internete, ale ukážem vám, ako si vybrať a použiť kondenzátory na praktických príkladoch. Budeme sa venovať aj niektorým menej známym aspektom výberu kondenzátorov, ako je zníženie kapacity. Po prečítaní tohto článku by mal 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 schéme existujúceho produktu sa potenciálnych kandidátov opýtame: „Aká je funkcia elektrolytického medziobvodu kondenzátor?" a "Aká je funkcia keramického kondenzátora 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 perspektívy teórie poľa. Hľadisko teórie obvodov nie je zlé. Pri nízkych frekvenciách (od niekoľkých kHz do niekoľkých MHz), teória obvodov môže zvyčajne problém vysvetliť dobre. Je to preto, že pri nižších frekvenciách je signál hlavne v diferenciálnom režime. Pomocou teórie obvodov môžeme vidieť kondenzátor znázornený na obrázku 1, kde je ekvivalentný sériový odpor ( ESR) a ekvivalentná sériová indukčnosť (ESL) spôsobujú zmenu impedancie kondenzátora s frekvenciou.
Tento model plne vysvetľuje výkon obvodu, keď je obvod spínaný pomaly. Avšak so zvyšujúcou sa frekvenciou sa veci 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 uchovávanie 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 hľadiska môžeme jednoducho definovať dva výkonové štandardy pre kondenzátory. Jedným je, koľko energie dokáže kondenzátor uložiť, a druhým je, ako rýchlo sa táto energia môže preniesť. Obe závisia od spôsobu výroby kondenzátora, dielektrického materiálu, spojenie s kondenzátorom a pod.
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 si vyžaduje určitý čas. Okrem toho existuje nesúlad impedancie medzi zdrojom a prenosovým vedením a záťažou. To znamená, že energia sa nikdy neprenesie pri jednej ceste, ale vo viacerých okružné jazdy5, čo je dôvod, prečo pri rýchlom prepnutí spínača vidíme 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 prenos energie si vyžaduje čas a niekoľko spiatočných ciest, nám hovorí, že musíme umiestniť zdroj energie čo najbližšie k záťaži a musíme nájsť spôsob rýchleho prenosu energie. Prvý sa zvyčajne dosiahne znížením fyzického vzdialenosť medzi záťažou, spínačom a kondenzátorom. Kondenzátor sa dosiahne zhromaždením skupiny kondenzátorov s najmenšou impedanciou.
Teória poľa tiež vysvetľuje, čo spôsobuje šum v bežnom režime. Stručne povedané, hluk v bežnom režime sa generuje, keď počas prepínania nie je splnená energetická potreba záťaže. Preto bude energia uložená v priestore medzi záťažou a blízkymi vodičmi poskytnutá na podporu priestor medzi záťažou a blízkymi vodičmi je to, čo nazývame parazitná/vzájomná kapacita (pozri obrázok 2).
Na nasledujúcich príkladoch demonštrujeme, 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 impedancia 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 zostrojený znížený DC-DC konvertor. Nastavenie EMC testu pred zhodou zobrazené na obrázku 4 vykonáva riadené emisné skenovanie 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 doske plošných spojov sa uistite, že neexistujú žiadne dlhé vodiče, pretože to zvýši ESL 5 ukazuje 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 možno povedať, že paralelným zapojením dvoch kondenzátorov sa ESL aj ESR znížia na polovicu. Z hľadiska teórie poľa nie je len jeden zdroj energie, ale do tej istej záťaže sú dodávané dva zdroje energie , čím sa efektívne zníži celkový čas prenosu energie. Pri vyšších frekvenciách sa však rozdiel medzi dvoma 330 µF kondenzátormi a jedným 680 µF kondenzátorom zmenšuje. Je to preto, že vysokofrekvenčný šum naznačuje nedostatočnú krokovú energetickú odozvu. spínačom, 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. Existuje na to veľa dobrých dôvodov. Prvým sú náklady. Vo všeobecnosti 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 Pri veľkokapacitných kondenzátoroch je výška často príliš veľká pre návrh produktu. Tretím dôvodom je EMC výkon, ktorý 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 sa ma pýtajú: „Koľko kondenzátora potrebujem?“ Odpoveďou 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 vyžarovanie vedením zlyhá pri 100 MHz, potom bude dobrou voľbou kondenzátor s najmenšou impedanciou pri 100 MHz.
Toto je ďalšie nedorozumenie MLCC. Videl som inžinierov vynaložiť veľa energie na výber keramických kondenzátorov s najnižším ESR a ESL pred pripojením kondenzátorov k referenčnému bodu RF pomocou dlhých stôp. Stojí za zmienku, že ESL MLCC je zvyčajne veľa 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 10 nH indukčnosť. Výsledok simulácie ukazuje, že impedancia kondenzátora je oveľa vyššia, ako sa očakávalo vo frekvenčnom bode (50 MHz).
Jedným z problémov s MLCC je, že majú tendenciu rezonovať s indukčnou štruktúrou na doske. To je možné vidieť na príklade znázornenom na obrázku 8, kde použitie 10 µF MLCC zavádza rezonanciu pri približne 300 kHz.
Rezonanciu môžete znížiť výberom súčiastky 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 kapacity. hodnotu na posunutie 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 cez elektrické vedenia (AC a DC) a konfigurácie filtrovania so spoločným režimom. Kondenzátor X berieme ako príklad 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 kondenzátora X sa môže rokmi používania výrazne znížiť? To platí najmä vtedy, ak sa kondenzátor používa vo vlhkom prostredí. Videl som hodnotu kapacity X kondenzátor klesne len na niekoľko percent svojej menovitej hodnoty v priebehu roka alebo dvoch, takže systém pôvodne navrhnutý s X kondenzátorom 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. Oxid hlinitý je dobrý elektrický izolant, čím sa znižuje kapacita. Toto je problém, ktorý stretnú všetky filmové kondenzátory. Problémom, o ktorom hovorím, je hrúbka filmu. Renomované značky kondenzátorov používajú hrubšie filmy, výsledkom čoho sú väčšie kondenzátory ako iné značky. Tenší film spôsobuje, že kondenzátor je menej odolný voči preťaženiu (napätiu, prúdu alebo teplote), a je nepravdepodobné, že by sa sám vyliečil.
Ak kondenzátor X nie je trvalo pripojený k zdroju napájania, nemusíte sa obávať. Napríklad pre produkt, ktorý má pevný prepínač medzi zdrojom napájania 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 kondenzátorový epoxidový materiál dobrej kvality a kondenzátor nie je často vystavený extrémnym teplotám, pokles v hodnota by mala byť minimálna.
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 pochopiť úlohu kondenzátorov v elektronickom a EMC návrhu komplexnejšie.
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. 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