новини

Кондензаторите са едни от най-често използваните компоненти на печатни платки. Тъй като броят на електронните устройства (от мобилни телефони до автомобили) продължава да нараства, нараства и търсенето на кондензатори. Пандемията от Covid 19 наруши глобалната верига за доставка на компоненти от полупроводници до пасивни компоненти, а кондензаторите бяха в недостиг1.
Дискусиите по темата за кондензаторите могат лесно да се превърнат в книга или речник. Първо, има различни видове кондензатори, като електролитни кондензатори, филмови кондензатори, керамични кондензатори и т.н. След това в същия тип има различни диелектрични материали. Има и различни класове. Що се отнася до физическата структура, има типове кондензатори с два и три извода. Има и кондензатор тип X2Y, който по същество е чифт Y кондензатори, капсулирани в един. Какво ще кажете за суперкондензаторите? Факт е, че ако седнете и започнете да четете ръководства за избор на кондензатори от големите производители, можете лесно да прекарате деня!
Тъй като тази статия е за основите, ще използвам различен метод, както обикновено. Както бе споменато по-рано, ръководствата за избор на кондензатор могат лесно да бъдат намерени на уебсайтове на доставчици 3 и 4, а инженерите на място обикновено могат да отговорят на повечето въпроси относно кондензаторите. В тази статия няма да повтарям това, което можете да намерите в интернет, а ще ви покажа как да избирате и използвате кондензатори чрез практически примери. Някои по-малко известни аспекти на избора на кондензатор, като влошаване на капацитета, също ще бъдат обхванати. След като прочетете тази статия, трябва да имате добра представа за използването на кондензатори.
Преди години, когато работех във фирма, която произвеждаше електронно оборудване, имахме въпрос за интервю за инженер по силова електроника. На схематичната диаграма на съществуващия продукт ще попитаме потенциалните кандидати „Каква е функцията на електролитния кондензатор на DC връзката?“ и „Каква е функцията на керамичния кондензатор, разположен до чипа?“ Надяваме се, че правилният отговор е DC bus кондензаторът Използва се за съхранение на енергия, керамичните кондензатори се използват за филтриране.
„Правилният“ отговор, който търсим, всъщност показва, че всеки от дизайнерския екип гледа на кондензаторите от гледна точка на проста верига, а не от гледна точка на теория на полето. Гледната точка на теорията на веригата не е грешна. При ниски честоти (от няколко kHz до няколко MHz), теорията на веригата обикновено може да обясни добре проблема. Това е така, защото при по-ниски честоти сигналът е предимно в диференциален режим. Използвайки теорията на веригата, можем да видим кондензатора, показан на фигура 1, където еквивалентното последователно съпротивление (ESR) и еквивалентната последователна индуктивност (ESL) карат импеданса на кондензатора да се променя с честота.
Този модел напълно обяснява производителността на веригата, когато веригата се превключва бавно. С увеличаването на честотата обаче нещата стават все по-сложни. В един момент компонентът започва да показва нелинейност. Когато честотата се увеличи, простият LCR модел има своите ограничения.
Днес, ако ми зададат същия въпрос за интервю, бих носел очилата си за наблюдение на теория на полето и бих казал, че и двата вида кондензатори са устройства за съхранение на енергия. Разликата е, че електролитните кондензатори могат да съхраняват повече енергия от керамичните кондензатори. Но по отношение на предаването на енергия, керамичните кондензатори могат да предават енергия по-бързо. Това обяснява защо трябва да се поставят керамични кондензатори до чипа, тъй като чипът има по-висока честота на превключване и скорост на превключване в сравнение с основната захранваща верига.
От тази гледна точка можем просто да дефинираме два стандарта за ефективност на кондензаторите. Единият е колко енергия може да съхранява кондензаторът, а другият е колко бързо тази енергия може да бъде прехвърлена. И двете зависят от метода на производство на кондензатора, диелектричния материал, връзката с кондензатора и т.н.
Когато ключът във веригата е затворен (вижте Фигура 2), това показва, че товарът се нуждае от енергия от източника на захранване. Скоростта, с която този превключвател се затваря, определя спешността на търсенето на енергия. Тъй като енергията се движи със скоростта на светлината (половината от скоростта на светлината в материалите FR4), отнема време за пренос на енергия. Освен това има несъответствие на импеданса между източника и предавателната линия и товара. Това означава, че енергията никога няма да бъде прехвърлена в едно пътуване, а в множество двупосочни пътувания5, поради което, когато превключвателят се превключи бързо, ще видим закъснения и звънене във формата на вълната на превключване.
Фигура 2: Необходимо е време, за да се разпространи енергията в пространството; несъответствието на импеданса причинява многобройни обиколки на пренос на енергия.
Фактът, че доставката на енергия отнема време и многобройни обиколки ни казва, че трябва да преместим енергията възможно най-близо до товара и трябва да намерим начин да я доставим бързо. Първото обикновено се постига чрез намаляване на физическото разстояние между товара, превключвателя и кондензатора. Последното се постига чрез събиране на група кондензатори с най-малък импеданс.
Теорията на полето също обяснява какво причинява шума в общ режим. Накратко, шумът в общ режим се генерира, когато енергийната нужда на товара не е удовлетворена по време на превключване. Следователно, енергията, съхранена в пространството между товара и близките проводници, ще бъде осигурена за поддържане на търсенето на стъпка. Пространството между товара и близките проводници е това, което наричаме паразитен/взаимен капацитет (вижте Фигура 2).
Използваме следните примери, за да демонстрираме как да използваме електролитни кондензатори, многослойни керамични кондензатори (MLCC) и филмови кондензатори. Както теорията на веригата, така и теорията на полето се използват за обяснение на работата на избраните кондензатори.
Електролитните кондензатори се използват главно в DC връзката като основен източник на енергия. Изборът на електролитен кондензатор често зависи от:
За ефективността на електромагнитната съвместимост най-важните характеристики на кондензаторите са характеристиките на импеданса и честотата. Нискочестотните проводими емисии винаги зависят от работата на кондензатора на DC връзката.
Импедансът на DC връзката зависи не само от ESR и ESL на кондензатора, но и от площта на термичния контур, както е показано на Фигура 3. По-голямата площ на термичния контур означава, че трансферът на енергия отнема повече време, така че производителността ще бъдат засегнати.
За да докаже това, беше създаден понижаващ DC-DC преобразувател. Настройката за EMC тест за предварително съответствие, показана на фигура 4, извършва сканиране на проведени емисии между 150kHz и 108MHz.
Важно е да се гарантира, че кондензаторите, използвани в този случай, са от един и същ производител, за да се избегнат разлики в импедансните характеристики. Когато запоявате кондензатора върху печатната платка, уверете се, че няма дълги проводници, тъй като това ще увеличи ESL на кондензатора. Фигура 5 показва трите конфигурации.
Резултатите от проведените емисии на тези три конфигурации са показани на Фигура 6. Може да се види, че в сравнение с един кондензатор от 680 µF, двата кондензатора от 330 µF постигат ефективност на намаляване на шума от 6 dB в по-широк честотен диапазон.
От теорията на веригата може да се каже, че чрез паралелно свързване на два кондензатора ESL и ESR се намаляват наполовина. От гледна точка на теорията на полето, има не само един източник на енергия, но два източника на енергия се доставят към един и същи товар, което ефективно намалява общото време за предаване на енергия. При по-високи честоти обаче разликата между два кондензатора 330 µF и един кондензатор 680 µF ще намалее. Това е така, защото високочестотният шум показва недостатъчна стъпкова енергийна реакция. Когато преместваме кондензатор от 330 µF по-близо до превключвателя, ние намаляваме времето за пренос на енергия, което ефективно увеличава стъпковия отговор на кондензатора.
Резултатът ни казва много важен урок. Увеличаването на капацитета на единичен кондензатор обикновено няма да поддържа стъпаловидно търсене на повече енергия. Ако е възможно, използвайте някои по-малки капацитивни компоненти. Има много добри причини за това. Първият е цената. Най-общо казано, за същия размер на опаковката цената на кондензатора нараства експоненциално със стойността на капацитета. Използването на един кондензатор може да бъде по-скъпо от използването на няколко по-малки кондензатора. Втората причина е размерът. Ограничаващият фактор при дизайна на продукта обикновено е височината на компонентите. За кондензатори с голям капацитет височината често е твърде голяма, което не е подходящо за дизайн на продукта. Третата причина е представянето на EMC, което видяхме в казуса.
Друг фактор, който трябва да имате предвид, когато използвате електролитен кондензатор, е, че когато свържете два кондензатора последователно, за да споделяте напрежението, ще ви е необходим балансиращ резистор 6.
Както споменахме по-рано, керамичните кондензатори са миниатюрни устройства, които могат бързо да осигурят енергия. Често ми задават въпроса „Колко кондензатор ми трябва?“ Отговорът на този въпрос е, че за керамичните кондензатори стойността на капацитета не трябва да е толкова важна. Важното съображение тук е да определите при коя честота скоростта на пренос на енергия е достатъчна за вашето приложение. Ако проведеното излъчване се провали при 100 MHz, тогава кондензаторът с най-малък импеданс при 100 MHz ще бъде добър избор.
Това е още едно недоразумение на MLCC. Виждал съм инженери да харчат много енергия за избор на керамични кондензатори с най-ниските ESR и ESL, преди да свържат кондензаторите към RF референтната точка чрез дълги трасета. Струва си да се спомене, че ESL на MLCC обикновено е много по-нисък от индуктивността на връзката на платката. Индуктивността на връзката все още е най-важният параметър, влияещ върху високочестотния импеданс на керамичните кондензатори7.
Фигура 7 показва лош пример. Дълги следи (0,5 инча дълги) въвеждат поне 10nH индуктивност. Резултатът от симулацията показва, че импедансът на кондензатора става много по-висок от очакваното в честотната точка (50 MHz).
Един от проблемите с MLCC е, че те са склонни да резонират с индуктивната структура на дъската. Това може да се види в примера, показан на фигура 8, където използването на 10 µF MLCC въвежда резонанс при приблизително 300 kHz.
Можете да намалите резонанса, като изберете компонент с по-голямо ESR или просто поставите резистор с малка стойност (като 1 ом) последователно с кондензатор. Този тип метод използва компоненти със загуби за потискане на системата. Друг метод е да се използва друга стойност на капацитета, за да се премести резонансът към по-ниска или по-висока резонансна точка.
Филмовите кондензатори се използват в много приложения. Те са избраните кондензатори за високомощни DC-DC преобразуватели и се използват като филтри за потискане на електромагнитни смущения в електропроводи (AC и DC) и конфигурации за филтриране в общ режим. Вземаме X кондензатор като пример, за да илюстрираме някои от основните моменти при използването на филмови кондензатори.
Ако възникне събитие от пренапрежение, това помага да се ограничи пиковото напрежение на линията, така че обикновено се използва с потискач на преходно напрежение (TVS) или варистор с метален оксид (MOV).
Може би вече знаете всичко това, но знаехте ли, че стойността на капацитета на X кондензатор може да бъде значително намалена с години употреба? Това е особено вярно, ако кондензаторът се използва във влажна среда. Виждал съм, че стойността на капацитета на кондензатора X пада само до няколко процента от номиналната му стойност в рамките на година или две, така че системата, първоначално проектирана с кондензатор X, всъщност губи цялата защита, която може да има предният кондензатор.
Е, какво стана? Влажен въздух може да изтече в кондензатора, нагоре по жицата и между кутията и епоксидната заливна смес. След това алуминиевата метализация може да бъде окислена. Алуминиевият оксид е добър електрически изолатор, като по този начин намалява капацитета. Това е проблем, с който ще се сблъскат всички филмови кондензатори. Проблемът, за който говоря, е дебелината на филма. Реномираните марки кондензатори използват по-дебели филми, което води до по-големи кондензатори в сравнение с други марки. По-тънкият филм прави кондензатора по-малко издръжлив на претоварване (напрежение, ток или температура) и е малко вероятно да се възстанови сам.
Ако X кондензаторът не е постоянно свързан към захранването, тогава не е нужно да се притеснявате. Например, за продукт, който има твърдо превключване между захранването и кондензатора, размерът може да е по-важен от живота и тогава можете да изберете по-тънък кондензатор.
Въпреки това, ако кондензаторът е постоянно свързан към източника на захранване, той трябва да бъде много надежден. Окисляването на кондензаторите не е неизбежно. Ако епоксидният материал на кондензатора е с добро качество и кондензаторът не е изложен често на екстремни температури, спадът в стойността трябва да е минимален.
В тази статия за първи път представих теорията на полето за кондензаторите. Практическите примери и резултатите от симулацията показват как да изберете и използвате най-често срещаните видове кондензатори. Надяваме се, че тази информация може да ви помогне да разберете по-изчерпателно ролята на кондензаторите в електронния и електромагнитния дизайн.
Д-р Мин Джан е основател и главен EMC консултант на Mach One Design Ltd, базирана в Обединеното кралство инженерна компания, специализирана в EMC консултации, отстраняване на проблеми и обучение. Неговите задълбочени познания в силова електроника, дигитална електроника, двигатели и продуктов дизайн са от полза за компании по целия свят.
In Compliance е основният източник на новини, информация, образование и вдъхновение за специалисти по електротехника и електронно инженерство.
Аерокосмическа индустрия Автомобилни комуникации Потребителска електроника Образование Енергетика и енергетика Информационни технологии Медицинска армия и национална отбрана