zprávy

Kondenzátory jsou jednou z nejčastěji používaných součástek na deskách plošných spojů. S tím, jak stále roste počet elektronických zařízení (od mobilních telefonů po automobily), roste i poptávka po kondenzátorech. Pandemie Covid 19 narušila globální dodavatelský řetězec součástek od polovodičů po pasivní součástky a kondenzátorů je nedostatek1.
Diskuse na téma kondenzátory lze snadno převést na knihu nebo slovník. Za prvé, existují různé typy kondenzátorů, jako jsou elektrolytické kondenzátory, filmové kondenzátory, keramické kondenzátory a tak dále. Potom ve stejném typu existují různé dielektrické materiály. Existují také různé třídy. Pokud jde o fyzickou strukturu, existují typy kondenzátorů se dvěma a třemi svorkami. Existuje také kondenzátor typu X2Y, což je v podstatě dvojice Y kondenzátorů zapouzdřených v jednom. A co superkondenzátory? Faktem je, že pokud se posadíte a začnete číst průvodce výběrem kondenzátorů od hlavních výrobců, můžete snadno strávit den!
Protože tento článek je o základech, použiji jako obvykle jinou metodu. Jak již bylo zmíněno dříve, průvodce výběrem kondenzátorů lze snadno najít na webových stránkách dodavatelů 3 a 4 a inženýři v terénu obvykle dokážou odpovědět na většinu otázek týkajících se kondenzátorů. V tomto článku nebudu opakovat to, co můžete najít na internetu, ale na praktických příkladech předvedu výběr a použití kondenzátorů. Budou také pokryty některé méně známé aspekty výběru kondenzátoru, jako je degradace kapacity. Po přečtení tohoto článku byste měli dobře rozumět použití kondenzátorů.
Před lety, když jsem pracoval ve firmě, která vyráběla elektronická zařízení, jsme měli otázku na pohovor na inženýra výkonové elektroniky. Na schematickém diagramu stávajícího produktu se potenciálních kandidátů zeptáme: „Jaká je funkce elektrolytického kondenzátoru stejnosměrného meziobvodu? a "Jaká je funkce keramického kondenzátoru umístěného vedle čipu?" Doufáme, že správná odpověď je stejnosměrný sběrnicový kondenzátor Používá se pro akumulaci energie, keramické kondenzátory se používají pro filtrování.
„Správná“ odpověď, kterou hledáme, ve skutečnosti ukazuje, že každý v konstrukčním týmu se dívá na kondenzátory z pohledu jednoduchého obvodu, nikoli z pohledu teorie pole. Úhel pohledu teorie obvodů není špatný. Při nízkých frekvencích (od několika kHz do několika MHz) může teorie obvodů obvykle problém dobře vysvětlit. Je to proto, že na nižších frekvencích je signál převážně v diferenciálním režimu. Pomocí teorie obvodů můžeme vidět kondenzátor znázorněný na obrázku 1, kde ekvivalentní sériový odpor (ESR) a ekvivalentní sériová indukčnost (ESL) způsobují, že se impedance kondenzátoru mění s frekvencí.
Tento model plně vysvětluje výkon obvodu, když je obvod spínán pomalu. S rostoucí frekvencí se však věci stávají stále složitějšími. V určitém okamžiku komponenta začne vykazovat nelinearitu. Když se frekvence zvýší, jednoduchý model LCR má svá omezení.
Kdybych dnes dostal stejnou otázku při rozhovoru, nasadil bych si brýle pro pozorování teorie pole a řekl bych, že oba typy kondenzátorů jsou zařízení pro ukládání energie. Rozdíl je v tom, že elektrolytické kondenzátory mohou uchovat více energie než keramické kondenzátory. Ale pokud jde o přenos energie, keramické kondenzátory mohou přenášet energii rychleji. To vysvětluje, proč je třeba keramické kondenzátory umístit vedle čipu, protože čip má vyšší spínací frekvenci a rychlost spínání ve srovnání s hlavním napájecím obvodem.
Z tohoto pohledu můžeme jednoduše definovat dva výkonové standardy pro kondenzátory. Jedním z nich je, kolik energie může kondenzátor uložit, a druhým je, jak rychle lze tuto energii přenést. Obojí závisí na způsobu výroby kondenzátoru, dielektrickém materiálu, spojení s kondenzátorem a tak dále.
Když je spínač v obvodu sepnutý (viz obrázek 2), znamená to, že zátěž potřebuje energii ze zdroje energie. Rychlost, kterou se tento spínač sepne, určuje naléhavost potřeby energie. Protože se energie šíří rychlostí světla (poloviční rychlost světla v materiálech FR4), přenos energie trvá nějakou dobu. Kromě toho existuje impedanční nesoulad mezi zdrojem a přenosovým vedením a zátěží. To znamená, že energie se nikdy nepřenese v rámci jedné cesty, ale ve více okružních jízdách5, a proto při rychlém přepnutí spínače uvidíme ve spínací křivce zpoždění a zvonění.
Obrázek 2: Čas trvá, než se energie šíří prostorem; impedanční nesoulad způsobuje vícenásobné cyklické cesty přenosu energie.
Skutečnost, že dodávka energie vyžaduje čas a několik zpátečních cest, nám říká, že musíme energii přesunout co nejblíže k zátěži a musíme najít způsob, jak ji rychle dodat. První je obvykle dosaženo zmenšením fyzické vzdálenosti mezi zátěží, spínačem a kondenzátorem. Posledně jmenovaného je dosaženo shromážděním skupiny kondenzátorů s nejmenší impedancí.
Teorie pole také vysvětluje, co způsobuje šum v běžném režimu. Stručně řečeno, šum v běžném režimu vzniká, když není během spínání splněna spotřeba energie zátěže. Energie uložená v prostoru mezi zátěží a blízkými vodiči bude tedy poskytnuta k podpoře skokového požadavku. Prostor mezi zátěží a blízkými vodiči je to, co nazýváme parazitní/vzájemná kapacita (viz obrázek 2).
Na následujících příkladech demonstrujeme, jak používat elektrolytické kondenzátory, vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC) a filmové kondenzátory. K vysvětlení výkonu vybraných kondenzátorů se používá teorie obvodů i pole.
Elektrolytické kondenzátory se používají hlavně ve stejnosměrném meziobvodu jako hlavní zdroj energie. Výběr elektrolytického kondenzátoru často závisí na:
Pro výkon EMC jsou nejdůležitější charakteristiky kondenzátorů impedance a frekvenční charakteristiky. Nízkofrekvenční vedené emise vždy závisí na výkonu kondenzátoru stejnosměrného meziobvodu.
Impedance stejnosměrného meziobvodu závisí nejen na ESR a ESL kondenzátoru, ale také na ploše tepelné smyčky, jak je znázorněno na obrázku 3. Větší plocha tepelné smyčky znamená, že přenos energie trvá déle, takže výkon bude ovlivněna.
Aby to dokazoval, byl sestrojen snižovací DC-DC měnič. Nastavení testu EMC před vyhověním uvedené na obrázku 4 provádí skenování řízené emise mezi 150 kHz a 108 MHz.
Je důležité zajistit, aby všechny kondenzátory použité v této případové studii byly od stejného výrobce, aby se předešlo rozdílům v impedančních charakteristikách. Při pájení kondenzátoru na DPS se ujistěte, že tam nejsou žádné dlouhé vodiče, protože to zvýší ESL kondenzátoru. Obrázek 5 ukazuje tři konfigurace.
Výsledky řízeného vyzařování těchto tří konfigurací jsou znázorněny na obrázku 6. Je vidět, že ve srovnání s jedním kondenzátorem 680 µF dosahují dva kondenzátory 330 µF snížení hluku o 6 dB v širším frekvenčním rozsahu.
Z teorie obvodů lze říci, že paralelním zapojením dvou kondenzátorů se ESL i ESR zmenší na polovinu. Z hlediska teorie pole neexistuje pouze jeden zdroj energie, ale do stejné zátěže jsou dodávány dva zdroje energie, což efektivně snižuje celkovou dobu přenosu energie. Při vyšších frekvencích se však rozdíl mezi dvěma 330 µF kondenzátory a jedním 680 µF kondenzátorem zmenšuje. Vysokofrekvenční šum totiž ukazuje na nedostatečnou odezvu krokové energie. Při přiblížení 330 µF kondenzátoru ke spínači zkrátíme dobu přenosu energie, což efektivně zvyšuje skokovou odezvu kondenzátoru.
Výsledek nám říká velmi důležitou lekci. Zvýšení kapacity jednoho kondenzátoru obecně nepodpoří skokový požadavek na více energie. Pokud je to možné, použijte některé menší kapacitní součástky. Existuje pro to mnoho dobrých důvodů. První je cena. Obecně řečeno, při stejné velikosti pouzdra se cena kondenzátoru zvyšuje exponenciálně s hodnotou kapacity. Použití jednoho kondenzátoru může být dražší než použití několika menších kondenzátorů. Druhým důvodem je velikost. Limitujícím faktorem při návrhu výrobku je obvykle výška komponentů. U velkokapacitních kondenzátorů je výška často příliš velká, což není vhodné pro návrh výrobku. Třetím důvodem je výkon EMC, který jsme viděli v případové studii.
Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu při použití elektrolytického kondenzátoru, je to, že když zapojíte dva kondenzátory do série pro sdílení napětí, budete potřebovat vyrovnávací rezistor 6.
Jak již bylo zmíněno dříve, keramické kondenzátory jsou miniaturní zařízení, která mohou rychle poskytnout energii. Často dostávám otázku "Kolik kondenzátoru potřebuji?" Odpověď na tuto otázku je, že u keramických kondenzátorů by hodnota kapacity neměla být tak důležitá. Zde je důležité zvážit, při jaké frekvenci je rychlost přenosu energie dostatečná pro vaši aplikaci. Pokud selže vedené vyzařování při 100 MHz, pak bude dobrou volbou kondenzátor s nejmenší impedancí na 100 MHz.
Toto je další nedorozumění MLCC. Viděl jsem inženýry utrácet spoustu energie výběrem keramických kondenzátorů s nejnižším ESR a ESL před připojením kondenzátorů k referenčnímu bodu RF pomocí dlouhých tras. Za zmínku stojí, že ESL MLCC je obvykle mnohem nižší než indukčnost připojení na desce. Připojovací indukčnost je stále nejdůležitějším parametrem ovlivňujícím vysokofrekvenční impedanci keramických kondenzátorů7.
Obrázek 7 ukazuje špatný příklad. Dlouhé stopy (0,5 palce dlouhé) zavádějí indukčnost alespoň 10 nH. Výsledek simulace ukazuje, že impedance kondenzátoru je mnohem vyšší, než se očekává ve frekvenčním bodě (50 MHz).
Jedním z problémů s MLCC je, že mají tendenci rezonovat s indukční strukturou na desce. To lze vidět na příkladu znázorněném na obrázku 8, kde použití 10 uF MLCC zavádí rezonanci na přibližně 300 kHz.
Rezonanci můžete snížit výběrem součástky s větším ESR nebo jednoduše zapojením odporu s malou hodnotou (např. 1 ohm) do série s kondenzátorem. Tento typ metody používá k potlačení systému ztrátové komponenty. Další metodou je použití jiné hodnoty kapacity pro přesunutí rezonance do nižšího nebo vyššího rezonančního bodu.
Fóliové kondenzátory se používají v mnoha aplikacích. Jsou to kondenzátory volby pro vysoce výkonné DC-DC měniče a používají se jako filtry pro potlačení EMI napříč napájecími vedeními (AC a DC) a konfigurací filtrování v běžném režimu. Vezmeme kondenzátor X jako příklad pro ilustraci některých hlavních bodů použití filmových kondenzátorů.
Pokud dojde k přepětí, pomáhá to omezit špičkové napěťové namáhání na vedení, takže se obvykle používá se supresorem přechodného napětí (TVS) nebo varistorem z oxidu kovu (MOV).
To vše už možná víte, ale věděli jste, že kapacitní hodnotu kondenzátoru X lze roky používání výrazně snížit? To platí zejména v případě, že je kondenzátor používán ve vlhkém prostředí. Viděl jsem, že hodnota kapacity kondenzátoru X klesla pouze na několik procent své jmenovité hodnoty během jednoho nebo dvou let, takže systém původně navržený s kondenzátorem X ve skutečnosti ztratil veškerou ochranu, kterou by mohl mít přední kondenzátor.
Takže, co se stalo? Vlhký vzduch může unikat do kondenzátoru, nahoru po drátu a mezi krabici a epoxidovou zalévací hmotu. Pokovení hliníku pak může být oxidováno. Alumina je dobrý elektrický izolant, čímž se snižuje kapacita. To je problém, se kterým se setkají všechny filmové kondenzátory. Problém, o kterém mluvím, je tloušťka filmu. Renomované značky kondenzátorů používají silnější fólie, což má za následek větší kondenzátory než jiné značky. Tenčí vrstva způsobuje, že kondenzátor je méně odolný vůči přetížení (napětí, proud nebo teplota) a je nepravděpodobné, že by se sám uzdravil.
Pokud kondenzátor X není trvale připojen k napájení, pak se nemusíte obávat. Například u produktu, který má pevný přepínač mezi napájecím zdrojem a kondenzátorem, může být velikost důležitější než životnost, a pak si můžete vybrat tenčí kondenzátor.
Pokud je však kondenzátor trvale připojen ke zdroji energie, musí být vysoce spolehlivý. Oxidace kondenzátorů není nevyhnutelná. Pokud je epoxidový materiál kondenzátoru kvalitní a kondenzátor není často vystaven extrémním teplotám, měl by být pokles hodnoty minimální.
V tomto článku je nejprve představen pohled na teorii pole kondenzátorů. Praktické příklady a výsledky simulací ukazují, jak vybrat a použít nejběžnější typy kondenzátorů. Doufám, že vám tyto informace pomohou porozumět roli kondenzátorů v elektronickém a EMC návrhu komplexněji.
Dr. Min Zhang je zakladatelem a hlavním konzultantem EMC Mach One Design Ltd, britské inženýrské společnosti specializující se na EMC poradenství, řešení problémů a školení. Jeho hluboké znalosti v oblasti výkonové elektroniky, digitální elektroniky, motorů a produktového designu přinesly užitek společnostem po celém světě.
In Compliance je hlavním zdrojem zpráv, informací, vzdělávání a inspirace pro odborníky v elektrotechnice a elektrotechnice.
Letecký průmysl Automobilový průmysl Komunikace Spotřební elektronika Vzdělávání Energetika a energetika Informační technologie Zdravotnictví Vojenská a národní obrana