новини

Конденсатори є одними з найбільш часто використовуваних компонентів на друкованих платах. Оскільки кількість електронних пристроїв (від мобільних телефонів до автомобілів) продовжує збільшуватися, зростає і попит на конденсатори. Пандемія Covid 19 порушила глобальний ланцюжок постачання компонентів від напівпровідників до пасивних компонентів, і конденсатори були дефіцитними1.
Дискусії на тему конденсаторів можна легко перетворити в книгу або словник. По-перше, існують різні типи конденсаторів, такі як електролітичні конденсатори, плівкові конденсатори, керамічні конденсатори тощо. Потім в одному типі є різні діелектричні матеріали. Також є різні класи. Що стосується фізичної структури, існують типи конденсаторів з двома і трьома полюсами. Існує також конденсатор типу X2Y, який, по суті, є парою Y-конденсаторів, інкапсульованих в одному. А як щодо суперконденсаторів? Справа в тому, що якщо ви сідаєте і починаєте читати посібники з вибору конденсаторів від великих виробників, ви можете легко провести день!
Оскільки ця стаття стосується основ, я буду використовувати інший метод, як зазвичай. Як згадувалося раніше, посібники з вибору конденсаторів можна легко знайти на веб-сайтах постачальників 3 і 4, і інженери зазвичай можуть відповісти на більшість запитань про конденсатори. У цій статті я не буду повторювати те, що ви можете знайти в Інтернеті, а покажу, як вибрати і використовувати конденсатори на практичних прикладах. Деякі менш відомі аспекти вибору конденсатора, такі як погіршення ємності, також будуть розглянуті. Прочитавши цю статтю, ви повинні добре розуміти використання конденсаторів.
Багато років тому, коли я працював у компанії, яка виготовляла електронне обладнання, у нас було запитання для інженера з силової електроніки на співбесіді. На принциповій схемі існуючого продукту ми запитаємо потенційних кандидатів: «Яку функцію виконує електролітичний конденсатор ланцюга постійного струму?» і «Яку функцію виконує керамічний конденсатор, розташований поруч із мікросхемою?» Сподіваємося, що правильна відповідь - конденсатор шини постійного струму Використовується для зберігання енергії, керамічні конденсатори використовуються для фільтрації.
«Правильна» відповідь, яку ми шукаємо, насправді показує, що кожен у команді дизайнерів дивиться на конденсатори з точки зору простої схеми, а не з точки зору теорії поля. Точка зору теорії схем не помилкова. На низьких частотах (від кількох кГц до кількох МГц) теорія схеми зазвичай може добре пояснити проблему. Це пояснюється тим, що на нижчих частотах сигнал в основному знаходиться в диференціальному режимі. Використовуючи теорію схеми, ми можемо побачити конденсатор, показаний на малюнку 1, де еквівалентний послідовний опір (ESR) і еквівалентна послідовна індуктивність (ESL) змінюють імпеданс конденсатора з частотою.
Ця модель повністю пояснює продуктивність схеми, коли схема перемикається повільно. Однак зі збільшенням частоти все стає дедалі складнішим. У якийсь момент компонент починає демонструвати нелінійність. Коли частота збільшується, проста модель LCR має свої обмеження.
Сьогодні, якби мені поставили те саме питання на інтерв’ю, я б одягнув окуляри для спостереження за теорією поля і сказав, що обидва типи конденсаторів є накопичувачами енергії. Різниця полягає в тому, що електролітичні конденсатори можуть зберігати більше енергії, ніж керамічні конденсатори. Але з точки зору передачі енергії, керамічні конденсатори можуть передавати енергію швидше. Це пояснює, чому керамічні конденсатори потрібно розміщувати поруч із чіпом, оскільки чіп має вищу частоту перемикання та швидкість перемикання порівняно з основним ланцюгом живлення.
З цієї точки зору ми можемо просто визначити два стандарти продуктивності для конденсаторів. Одне — скільки енергії може накопичити конденсатор, а інше — наскільки швидко цю енергію можна передати. І те й інше залежить від способу виготовлення конденсатора, матеріалу діелектрика, з’єднання з конденсатором тощо.
Коли перемикач у ланцюзі замкнутий (див. Малюнок 2), це означає, що навантаження потребує енергії від джерела живлення. Швидкість, з якою цей перемикач замикається, визначає терміновість потреби в енергії. Оскільки енергія рухається зі швидкістю світла (половина швидкості світла в матеріалах FR4), для передачі енергії потрібен час. Крім того, існує неузгодженість імпедансу між джерелом і лінією передачі та навантаженням. Це означає, що енергія ніколи не буде передаватися за одну поїздку, а в кілька зворотних поїздок5, тому, коли перемикач швидко перемикається, ми побачимо затримки та дзвін у формі сигналу перемикання.
Малюнок 2. Для поширення енергії в просторі потрібен час; Неузгодженість імпедансу спричиняє багаторазові передачі енергії.
Той факт, що для доставки енергії потрібен час і багаторазові повороти, говорить нам про те, що нам потрібно перемістити енергію якомога ближче до навантаження, і нам потрібно знайти спосіб її швидкої доставки. Перший зазвичай досягається шляхом зменшення фізичної відстані між навантаженням, перемикачем і конденсатором. Останнє досягається шляхом збору групи конденсаторів з найменшим опором.
Теорія поля також пояснює, що викликає синфазний шум. Коротше кажучи, синфазний шум генерується, коли потреба в енергії навантаження не задовольняється під час комутації. Таким чином, енергія, що зберігається в просторі між навантаженням і сусідніми провідниками, буде забезпечена для підтримки крокового попиту. Простір між навантаженням і сусідніми провідниками ми називаємо паразитною/взаємною ємністю (див. рис. 2).
Ми використовуємо наступні приклади, щоб продемонструвати, як використовувати електролітичні конденсатори, багатошарові керамічні конденсатори (MLCC) і плівкові конденсатори. Для пояснення характеристик вибраних конденсаторів використовуються як теорія схеми, так і теорія поля.
Електролітичні конденсатори в основному використовуються в ланці постійного струму як основне джерело енергії. Вибір електролітичного конденсатора часто залежить від:
Для ефективності ЕМС найважливішими характеристиками конденсаторів є імпеданс і частотні характеристики. Низькочастотні кондуктивні випромінювання завжди залежать від продуктивності конденсатора ланцюга постійного струму.
Імпеданс ланки постійного струму залежить не тільки від ESR і ESL конденсатора, але також від площі теплового контуру, як показано на малюнку 3. Більша площа теплового контуру означає, що передача енергії займає більше часу, тому продуктивність буде вплинути.
Для підтвердження цього був побудований понижуючий перетворювач DC-DC. Налаштування перевірки електромагнітної сумісності перед відповідністю, показане на малюнку 4, виконує сканування кондуктивного випромінювання між 150 кГц і 108 МГц.
Важливо переконатися, що всі конденсатори, які використовуються в цьому прикладі, від одного виробника, щоб уникнути відмінностей у характеристиках імпедансу. При паянні конденсатора на друкованій платі переконайтеся, що немає довгих проводів, оскільки це збільшить ESL конденсатора. На малюнку 5 показано три конфігурації.
Результати кондуктивного випромінювання цих трьох конфігурацій показано на малюнку 6. Можна побачити, що порівняно з одним конденсатором ємністю 680 мкФ два конденсатори ємністю 330 мкФ досягають ефективності зниження шуму на 6 дБ у ширшому діапазоні частот.
З теорії схеми можна сказати, що при паралельному з’єднанні двох конденсаторів ESL і ESR зменшуються вдвічі. З точки зору теорії поля, існує не тільки одне джерело енергії, але два джерела енергії подаються до одного навантаження, що ефективно скорочує загальний час передачі енергії. Однак на більш високих частотах різниця між двома конденсаторами 330 мкФ і одним конденсатором 680 мкФ буде зменшуватися. Це пояснюється тим, що високочастотний шум вказує на недостатню енергетичну реакцію кроку. Переміщаючи конденсатор ємністю 330 мкФ ближче до комутатора, ми зменшуємо час передачі енергії, що ефективно збільшує ступінчасту характеристику конденсатора.
Результат дає нам дуже важливий урок. Збільшення ємності одного конденсатора, як правило, не задовольнить ступінчастий попит на більше енергії. Якщо можливо, використовуйте деякі менші ємнісні компоненти. Для цього є багато вагомих причин. По-перше, це вартість. Взагалі кажучи, для однакового розміру упаковки вартість конденсатора експоненціально зростає зі значенням ємності. Використання одного конденсатора може бути дорожчим, ніж використання кількох менших конденсаторів. Друга причина - розмір. Обмежуючим фактором у дизайні продукту зазвичай є висота компонентів. Для конденсаторів великої ємності висота часто занадто велика, що не підходить для конструкції продукту. Третя причина — продуктивність EMC, яку ми бачили в прикладі.
Ще один фактор, який слід враховувати при використанні електролітичного конденсатора, полягає в тому, що коли ви з’єднуєте два конденсатори послідовно для розподілу напруги, вам знадобиться балансувальний резистор 6.
Як було сказано раніше, керамічні конденсатори - це мініатюрні пристрої, здатні швидко давати енергію. Мені часто задають питання «Скільки конденсатора мені потрібно?» Відповідь на це питання полягає в тому, що для керамічних конденсаторів значення ємності не повинно бути таким важливим. Тут важливо визначити, на якій частоті швидкість передачі енергії є достатньою для вашого застосування. Якщо кондуктивне випромінювання виходить з ладу на 100 МГц, то хорошим вибором буде конденсатор з найменшим опором на 100 МГц.
Це ще одне неправильне розуміння MLCC. Я бачив, як інженери витрачали багато енергії, вибираючи керамічні конденсатори з найнижчими ESR і ESL перед підключенням конденсаторів до контрольної точки ВЧ через довгі траси. Варто зазначити, що ESL MLCC зазвичай набагато нижчий, ніж індуктивність підключення на платі. Індуктивність підключення все ще є найважливішим параметром, що впливає на високочастотний імпеданс керамічних конденсаторів7.
Малюнок 7 показує поганий приклад. Довгі доріжки (довжиною 0,5 дюйма) створюють індуктивність щонайменше 10 нГн. Результати моделювання показують, що імпеданс конденсатора стає набагато вищим, ніж очікувалося, на частоті (50 МГц).
Однією з проблем MLCC є те, що вони мають тенденцію резонувати з індуктивною структурою на платі. Це можна побачити в прикладі, показаному на малюнку 8, де використання 10 мкФ MLCC створює резонанс приблизно на 300 кГц.
Ви можете зменшити резонанс, вибравши компонент із більшим ESR або просто підключивши резистор малого значення (наприклад, 1 Ом) послідовно з конденсатором. Цей тип методу використовує компоненти з втратами для придушення системи. Інший метод полягає у використанні іншого значення ємності для переміщення резонансу в нижчу або вищу точку резонансу.
Плівкові конденсатори використовуються в багатьох сферах застосування. Вони є найкращими конденсаторами для потужних перетворювачів постійного струму та використовуються як фільтри для придушення електромагнітних перешкод у лініях електропередачі (змінного та постійного струму) і в конфігураціях синфазної фільтрації. Ми беремо конденсатор X як приклад, щоб проілюструвати деякі основні моменти використання плівкових конденсаторів.
Якщо відбувається стрибок напруги, це допомагає обмежити пікову напругу на лінії, тому зазвичай використовується з обмежувачем перехідної напруги (TVS) або металооксидним варистором (MOV).
Можливо, ви вже все це знаєте, але чи знаєте ви, що значення ємності X-конденсатора може значно зменшитися з роками використання? Це особливо вірно, якщо конденсатор використовується у вологому середовищі. Я бачив, як значення ємності X-конденсатора впало лише на кілька відсотків від його номінального значення протягом року або двох, тому система, спочатку розроблена з X-конденсатором, фактично втратила весь захист, який міг мати передній конденсатор.
Отже, що сталося? Вологе повітря може просочуватися до конденсатора, вгору по дроту та між коробкою та епоксидною заливною сумішшю. Потім металізація алюмінію може бути окислена. Оксид алюмінію є хорошим електричним ізолятором, завдяки чому зменшується ємність. Це проблема, з якою стикаються всі плівкові конденсатори. Проблема, про яку я говорю, це товщина плівки. Відомі бренди конденсаторів використовують більш товсті плівки, що призводить до більших конденсаторів, ніж інші бренди. Тонша плівка робить конденсатор менш стійким до перевантажень (напруги, струму або температури), і він навряд чи відновиться.
Якщо конденсатор X не постійно підключений до джерела живлення, то вам не потрібно турбуватися. Наприклад, для продукту, який має жорстке перемикання між джерелом живлення та конденсатором, розмір може бути важливішим за термін служби, і тоді ви можете вибрати тонший конденсатор.
Однак, якщо конденсатор постійно підключений до джерела живлення, він повинен бути високонадійним. Окислення конденсаторів не є неминучим. Якщо епоксидний матеріал конденсатора є якісним і конденсатор не часто піддається екстремальним температурам, падіння значення має бути мінімальним.
У цій статті вперше представлено теорію поля про конденсатори. Практичні приклади та результати моделювання показують, як вибрати та використовувати найпоширеніші типи конденсаторів. Сподіваюся, ця інформація допоможе вам більш повно зрозуміти роль конденсаторів в електроніці та електромагнітній сумісності.
Доктор Мін Чжан є засновником і головним консультантом з електромагнітної сумісності Mach One Design Ltd, британської інженерної компанії, що спеціалізується на консультуванні з електромагнітної сумісності, усуненні несправностей і навчанні. Його глибокі знання в галузі силової електроніки, цифрової електроніки, двигунів і дизайну продукції принесли користь компаніям у всьому світі.
In Compliance є основним джерелом новин, інформації, освіти та натхнення для фахівців з електротехніки та електронної інженерії.
Аерокосмічна промисловість Автомобільний зв’язок Побутова електроніка Освіта Енергетика та електроенергетика Інформаційні технології Медицина Військові та національна оборона