новини

Конденсатори є одними з найбільш часто використовуваних компонентів на друкованих платах. Оскільки кількість електронних пристроїв (від мобільних телефонів до автомобілів) продовжує зростати, зростає і попит на конденсатори. Пандемія Covid 19 порушила глобальний ланцюг постачання компонентів із напівпровідників. до пасивних компонентів, і конденсатори були в дефіциті1.
Дискусії на тему конденсаторів можна легко перетворити на книгу або словник. По-перше, існують різні типи конденсаторів, такі як електролітичні конденсатори, плівкові конденсатори, керамічні конденсатори і так далі. Потім, в тому ж типі, існують різні діелектричні матеріали. Існують також різні класи. Що стосується фізичної структури, існують типи конденсаторів з двома і трьома полюсами. Існує також конденсатор типу X2Y, який, по суті, є парою конденсаторів Y, інкапсульованих в один. Що щодо суперконденсаторів Справа в тому, що якщо ви сідаєте і починаєте читати посібники з вибору конденсаторів від основних виробників, ви можете легко витратити день!
Оскільки ця стаття присвячена основам, я буду використовувати інший метод, як зазвичай. Як згадувалося раніше, посібники з вибору конденсаторів можна легко знайти на веб-сайтах постачальників 3 і 4, а інженери зазвичай можуть відповісти на більшість запитань про конденсатори. У цій статті Я не буду повторювати те, що ви можете знайти в Інтернеті, а продемонструю, як вибирати та використовувати конденсатори на практичних прикладах. Деякі менш відомі аспекти вибору конденсаторів, такі як зниження ємності, також будуть розглянуті. Після прочитання цієї статті ви повинен добре розуміти використання конденсаторів.
Багато років тому, коли я працював у компанії, яка виробляла електронне обладнання, у нас було питання для співбесіди з інженером силової електроніки. На принциповій схемі існуючого продукту ми запитаємо потенційних кандидатів: «Яку функцію виконує електролітична ланка постійного струму? конденсатор?» і «Яку функцію виконує керамічний конденсатор 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 із команди проектувальників дивиться на конденсатори з точки зору простої схеми, а не з точки зору теорії поля. Точка зору теорії схеми не є неправильною. На низьких частотах (від кількох кГц до кількох МГц), теорія ланцюга зазвичай може добре пояснити проблему. Це тому, що на нижчих частотах сигнал в основному в диференціальному режимі. Використовуючи теорію ланцюга, ми можемо побачити конденсатор, показаний на малюнку 1, де еквівалентний послідовний опір ( ESR) і еквівалентна послідовна індуктивність (ESL) змушують імпеданс конденсатора змінюватися з частотою.
Ця модель повністю пояснює продуктивність схеми, коли схема перемикається повільно. Однак зі збільшенням частоти все стає все складніше. У якийсь момент компонент починає демонструвати нелінійність. Коли частота збільшується, проста модель LCR має свої обмеження.
Сьогодні, якби мені поставили таке ж запитання на інтерв’ю, я б одягнув окуляри для спостереження за теорією поля і сказав, що обидва типи конденсаторів є пристроями накопичення 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 мікросхемою, оскільки мікросхема 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. Один — скільки енергії може зберігати конденсатор, а інший — швидкість, з якою ця енергія може передаватися. Обидва вони залежать від методу виробництва конденсатора, діелектричного матеріалу, з'єднання з конденсатором і так далі.
Коли перемикач у ланцюзі замкнутий (див. малюнок 2), це вказує на те, 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 швидкість світла в матеріалах FR4), для передачі енергії потрібен час. Крім того, існує невідповідність імпедансу між джерелом, лінією передачі та навантаженням. Це означає, що енергія ніколи не буде передана за одну поїздку, а за декілька зворотні перемикання5, тому, коли комутатор швидко перемикається, ми бачимо 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 передачі енергії потрібен час і багаторазові повороти, говорить нам про те, що нам потрібно розташувати джерело енергії якомога ближче до навантаження, і нам потрібно знайти спосіб швидкої передачі енергії. Перше зазвичай досягається шляхом зменшення фізичного відстань між навантаженням, перемикачем і конденсатором. Останній 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 перемикання. Тому енергія, що зберігається в просторі між навантаженням і сусідніми провідниками, буде надана для підтримки простір між навантаженням і сусідніми провідниками — це те, що ми називаємо паразитною/взаємною ємністю (див. рис. 2).
Ми використовуємо наведені нижче приклади, щоб продемонструвати, як використовувати електролітичні конденсатори, багатошарові керамічні конденсатори (MLCC) і плівкові конденсатори. Для пояснення ефективності 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 електромагнітної сумісності найважливішими характеристиками конденсаторів є імпеданс і частотні характеристики. Низькочастотні кондуктивні випромінювання завжди залежать від продуктивності конденсатора ланки постійного струму.
Імпеданс ланцюга постійного струму залежить не лише від ESR та ESL конденсатора, а й 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 було створено понижуючий перетворювач постійного струму. Тест EMC перед відповідністю, показаний 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. Під час пайки конденсатора на друкованій платі переконайтеся, що немає довгих проводів, оскільки це збільшить ESL конденсатор. 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 зменшення 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 лише одне джерело енергії, але два джерела енергії подаються до одного навантаження , що ефективно зменшує загальний час передачі енергії. Однак на вищих частотах різниця між двома конденсаторами ємністю 330 мкФ і одним конденсатором ємністю 680 мкФ буде зменшуватися. Це відбувається тому, що високочастотний шум вказує на недостатню ступінчасту реакцію енергії. Під час переміщення конденсатора 330 мкФ ближче до перемикач, ми зменшуємо час передачі енергії, що ефективно збільшує ступінчасту характеристику конденсатора.
Результат дає нам дуже важливий урок. Збільшення ємності окремого конденсатора, як правило, не підтримує ступінчастий попит на більше енергії. Якщо можливо, використовуйте менші ємнісні компоненти. На це є багато вагомих причин. Перша — це вартість. Загалом кажучи, для однакового розміру упаковки вартість конденсатора експоненціально зростає зі значенням ємності. Використання одного конденсатора може бути дорожчим, ніж використання кількох менших конденсаторів. Другою причиною є розмір. Обмежуючим фактором у дизайні продукту зазвичай є висота Для конденсаторів великої ємності висота часто є занадто великою для дизайну виробу. Третьою причиною є показники ЕМС, які 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 згадувалося раніше, керамічні конденсатори — це мініатюрні пристрої, які можуть швидко виробляти енергію. Мені часто задають питання: «Скільки конденсаторів мені потрібно?» Відповідь на це питання полягає в тому, що для керамічних конденсаторів значення ємності не має бути таким важливим. Тут важливо визначити, на якій частоті швидкість передачі енергії є достатньою для вашого застосування. Якщо кондуктивне випромінювання не вдається на частоті 100 МГц, то хорошим вибором буде конденсатор із найменшим опором на частоті 100 МГц.
Це ще одне неправильне розуміння MLCC. Я бачив, як інженери витрачають 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 значно нижча, ніж індуктивність з’єднання на платі. Індуктивність з’єднання все ще є найважливішим параметром, що впливає на високочастотний опір керамічних конденсаторів7.
На рисунку 7 показаний поганий приклад. Довгі лінії (довжиною 0,5 дюйма) створюють індуктивність щонайменше 10 нГн. Результати моделювання показують, що опір 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 на 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 іншої ємності значення, щоб перемістити резонанс до нижчої або вищої точки резонансу.
Плівкові конденсатори використовуються в багатьох додатках. Вони є конденсаторами вибору для потужних перетворювачів DC-DC і використовуються як фільтри придушення електромагнітних перешкод у лініях електропередачі (змінного та постійного струму) і конфігураціях синфазної фільтрації. Ми беремо X-конденсатор як приклад для ілюстрації деяких основних моментів 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 конденсатора X може значно зменшитися з роками використання? Це особливо вірно, якщо конденсатор використовується у вологому середовищі. Я бачив значення ємності конденсатор X падає лише до кількох відсотків свого номінального значення протягом року або двох, тому система, спочатку розроблена з конденсатором X, фактично втратила весь захист, який міг мати передній конденсатор.
Отже, що сталося? Вологе повітря може просочуватися в конденсатор, вгору по дроту та між коробкою та епоксидною заливною сумішшю. Алюмінієва металізація може окислюватися. Оксид алюмінію є хорошим електричним ізолятором, таким чином зменшуючи ємність. Це проблема, яка зіткнуться всі плівкові конденсатори. Проблема, про яку я говорю, полягає в товщині плівки. Поважні бренди конденсаторів використовують товщі плівки, що призводить до більших розмірів конденсаторів, ніж інші бренди. Тонша плівка робить конденсатор менш стійким до перевантажень (напруга, струм або температура), і навряд чи вилікується сама.
Якщо конденсатор X не підключено постійно до джерела живлення, то вам не потрібно хвилюватися. 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 під’єднано до джерела живлення, він має бути високонадійним. Окислення конденсаторів не є неминучим. Якщо епоксидний матеріал конденсатора є якісним і конденсатор не часто піддається екстремальним температурам, падіння значення повинно бути мінімальним.
У цій статті вперше представлено погляд на конденсатори з теорії поля. Практичні приклади та результати моделювання показують, як вибрати та використовувати найпоширеніші типи конденсаторів. Сподіваюся, ця інформація допоможе вам більш повно зрозуміти роль конденсаторів у розробці електроніки та електромагнітної сумісності.
Доктор Мін Чжан є засновником і головним консультантом з електромагнітної сумісності Mach One Design Ltd, британської інжинірингової компанії, що спеціалізується на консультуванні з електромагнітної сумісності, усуненні несправностей і навчанні. Його глибокі знання в силовій електроніці, цифровій електроніці, двигунах і дизайні продукції принесли користь компаній по всьому світу.
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