hírek

A kondenzátorok az egyik leggyakrabban használt alkatrész az áramköri kártyákon. Ahogy az elektronikus eszközök (a mobiltelefonoktól az autókig) száma folyamatosan növekszik, úgy nő a kondenzátorok iránti kereslet is. A Covid-19 világjárvány megszakította a félvezetők globális alkatrészellátási láncát passzív alkatrészekre, a kondenzátorok pedig hiánycikknek számítottak1.
A kondenzátorokkal kapcsolatos viták könnyen könyvekké vagy szótárakká alakíthatók. Először is különböző típusú kondenzátorok léteznek, például elektrolitkondenzátorok, filmkondenzátorok, kerámiakondenzátorok és így tovább. Utána ugyanabban a típusban különböző dielektromos anyagok.Vannak különböző osztályok is.Ami a fizikai felépítést illeti, két- és háromterminális kondenzátortípusok vannak.Van egy X2Y típusú kondenzátor is, ami lényegében egy pár Y kondenzátor egybe tokozva.Mi a helyzet a szuperkondenzátorokkal ?A tény az, hogy ha leülsz és elkezded olvasni a nagy gyártók kondenzátorválasztási útmutatóit, könnyen eltöltheted a napot!
Mivel ez a cikk az alapokról szól, a szokásostól eltérő módszert fogok használni.Amint korábban említettük, a kondenzátorválasztási útmutatók könnyen megtalálhatók a 3. és 4. beszállítói webhelyeken, és a helyszíni mérnökök általában meg tudják válaszolni a legtöbb kondenzátorokkal kapcsolatos kérdést.E cikkben, Nem ismétlem meg azt, amit az interneten talál, de gyakorlati példákon keresztül bemutatom a kondenzátorok kiválasztását és használatát. A kondenzátorválasztás néhány kevésbé ismert vonatkozása, például a kapacitáscsökkenés is szóba kerül. A cikk elolvasása után jól ismernie kell a kondenzátorok használatát.
Évekkel ezelőtt, amikor egy elektronikai berendezéseket gyártó cégnél dolgoztam, interjúkérdésünk volt egy teljesítményelektronikai mérnökhöz. A meglévő termék sematikus ábráján megkérdezzük a potenciális jelölteket: „Mi a funkciója az egyenáramú elektrolitnak kondenzátor?"és "Mi a funkciója a kerámia kondenzátornak a chip mellett?"Reméljük a helyes válasz az egyenáramú busz kondenzátor Energiatárolásra, kerámia kondenzátorok szűrésre szolgálnak.
Az általunk keresett „helyes” válasz valójában azt mutatja, hogy a tervezőcsapatban mindenki egyszerű áramköri perspektívából nézi a kondenzátorokat, nem pedig térelméleti szempontból. Az áramkörelmélet nézőpontja nem téves. Alacsony frekvenciákon (néhány kHz-től). néhány MHz-re), az áramkörelmélet általában jól meg tudja magyarázni a problémát.Ennek az az oka, hogy alacsonyabb frekvenciákon a jel főleg differenciális módban van.Az áramkörelmélet segítségével az 1. ábrán látható kondenzátort láthatjuk, ahol az egyenértékű soros ellenállás ( ESR) és az ekvivalens soros induktivitás (ESL) a kondenzátor impedanciáját a frekvencia függvényében változtatja.
Ez a modell teljes mértékben megmagyarázza az áramkör teljesítményét, amikor az áramkört lassan kapcsolják. A frekvencia növekedésével azonban a dolgok egyre bonyolultabbá válnak. Egy bizonyos ponton az alkatrész nemlinearitást mutat. Amikor a frekvencia növekszik, az egyszerű LCR modell megvannak a korlátai.
Ma, ha ugyanazt az interjúkérdést kérdeznék, viselném a térelméleti megfigyelőszemüvegemet, és azt mondanám, hogy mindkét kondenzátortípus energiatároló eszköz. A különbség az, hogy az elektrolitkondenzátorok több energiát képesek tárolni, mint a kerámiakondenzátorok. De az energiaátvitel szempontjából , a kerámia kondenzátorok gyorsabban tudnak energiát továbbítani.Ez megmagyarázza, hogy miért kell a kerámia kondenzátorokat a chip mellé helyezni, mivel a chip kapcsolási frekvenciája és kapcsolási sebessége nagyobb a fő áramkörhöz képest.
Ebből a szempontból egyszerűen meghatározhatunk két teljesítményszabványt a kondenzátorokra. Az egyik az, hogy mennyi energiát képes tárolni a kondenzátor, a másik pedig az, hogy ez az energia milyen gyorsan vihető át. Mindkettő a kondenzátor gyártási módjától, a dielektrikum anyagától függ, a kondenzátorral való kapcsolat és így tovább.
Ha az áramkörben a kapcsoló zárva van (lásd a 2. ábrát), az azt jelzi, hogy a terhelésnek energiára van szüksége az áramforrásból. A kapcsoló zárási sebessége határozza meg az energiaigény sürgősségét.Mivel az energia fénysebességgel halad (fele a fénysebesség az FR4 anyagokban), időbe telik az energia átvitele.Ezenkívül impedancia eltérés van a forrás és az átviteli vezeték, valamint a terhelés között.Ez azt jelenti, hogy az energia soha nem egy útban, hanem többszörösen kerül átadásra. round trips5, ezért amikor a kapcsoló gyorsan kapcsol, késéseket és csengetést látunk a kapcsolási hullámformában.
2. ábra: Időbe telik, amíg az energia térben terjed;az impedancia eltérése az energiaátvitel többszörös oda-vissza útját okozza.
Az a tény, hogy az energiaátvitel időt és többszöri oda-vissza utat igényel, azt jelzi, hogy az energiaforrást a lehető legközelebb kell elhelyezni a terheléshez, és meg kell találnunk az energia gyors átvitelének módját. Az elsőt általában a fizikai terhelés csökkentésével érjük el. a terhelés, a kapcsoló és a kondenzátor közötti távolság. Ez utóbbit a legkisebb impedanciájú kondenzátorcsoport összegyűjtésével érik el.
A térelmélet azt is megmagyarázza, hogy mi okozza a közös üzemmódú zajt. Röviden, a közös módú zaj akkor keletkezik, ha a terhelés energiaigénye nem teljesül a kapcsolás során. Ezért a terhelés és a közeli vezetők közötti térben tárolt energia támogatást nyújt. a lépésigény.A terhelés és a közeli vezetők közötti teret parazita/kölcsönös kapacitásnak nevezzük (lásd 2. ábra).
A következő példákkal bemutatjuk, hogyan kell használni az elektrolitkondenzátorokat, a többrétegű kerámiakondenzátorokat (MLCC) és a filmkondenzátorokat. Mind az áramkör-, mind a térelméletet használják a kiválasztott kondenzátorok teljesítményének magyarázatára.
Az elektrolit kondenzátorokat fő energiaforrásként főként az egyenáramú körben használják. Az elektrolit kondenzátor kiválasztása gyakran a következőktől függ:
Az EMC teljesítmény szempontjából a kondenzátorok legfontosabb jellemzői az impedancia és a frekvencia karakterisztikája. Az alacsony frekvenciájú kibocsátások mindig az egyenáramú kör kondenzátorának teljesítményétől függenek.
Az egyenáramú kör impedanciája nem csak a kondenzátor ESR és ESL értékétől függ, hanem a hőhurok területétől is, amint az a 3. ábrán látható. A nagyobb termikus hurok területe azt jelenti, hogy az energiaátvitel tovább tart, így a teljesítmény érintett lesz.
Ennek bizonyítására egy lecsökkentett DC-DC átalakítót építettek. A 4. ábrán látható elő-megfelelőségi EMC-teszt beállítás 150 kHz és 108 MHz közötti emissziós pásztázást végez.
Fontos annak biztosítása, hogy az esettanulmányban használt kondenzátorok mind ugyanattól a gyártótól származzanak, hogy elkerüljük az impedanciajellemzők eltéréseit. A kondenzátor PCB-re való forrasztásakor ügyeljen arra, hogy ne legyenek hosszú vezetékek, mert ez megnöveli az ESL-t. a kondenzátor.Az 5. ábra a három konfigurációt mutatja.
E három konfiguráció levezetett emissziós eredményeit a 6. ábra mutatja. Látható, hogy egyetlen 680 µF-os kondenzátorral összehasonlítva a két 330 µF-os kondenzátor 6 dB-es zajcsökkentési teljesítményt ér el szélesebb frekvenciatartományban.
Az áramkörelméletből elmondható, hogy két kondenzátor párhuzamos kapcsolásával az ESL és az ESR is felére csökken. Térelméleti szempontból nem csak egy energiaforrás van, hanem két energiaforrást ugyanarra a terhelésre táplálunk. , hatékonyan csökkentve a teljes energiaátviteli időt. Magasabb frekvenciákon azonban csökken a különbség két 330 µF-os kondenzátor és egy 680 µF-os kondenzátor között. Ennek az az oka, hogy a nagyfrekvenciás zaj elégtelen lépésenergia-választ jelez.Ha egy 330 µF-os kondenzátort közelebb viszünk a a kapcsolóval csökkentjük az energiaátviteli időt, ami hatékonyan növeli a kondenzátor lépésválaszát.
Az eredmény nagyon fontos leckét ad nekünk.Egyetlen kondenzátor kapacitásának növelése általában nem támogatja a lépésenkénti több energiaigényt.Ha lehetséges, használjon kisebb kapacitív komponenseket.Sok jó oka van ennek.Az első a költség.Általában ugyanazon csomagméret mellett a kondenzátor költsége exponenciálisan növekszik a kapacitás értékével.Egyetlen kondenzátor használata drágább lehet, mint több kisebb kondenzátor használata.A második ok a méret.A termék tervezésének korlátozó tényezője általában a magasság A nagy kapacitású kondenzátorok esetében a magasság gyakran túl nagy a terméktervezéshez.A harmadik ok az esettanulmányban látott EMC-teljesítmény.
Egy másik tényező, amelyet figyelembe kell venni az elektrolit kondenzátor használatakor, hogy ha két kondenzátort sorba köt a feszültség megosztása érdekében, szüksége lesz egy 6-os kiegyenlítő ellenállásra.
Ahogy korábban említettük, a kerámia kondenzátorok miniatűr eszközök, amelyek gyorsan képesek energiát szolgáltatni. Gyakran felteszik nekem a kérdést: „Mekkora kondenzátorra van szükségem?” Erre a kérdésre a válasz az, hogy a kerámia kondenzátorok esetében a kapacitásérték nem lehet olyan fontos. A fontos szempont itt annak meghatározása, hogy az energiaátviteli sebesség mely frekvencián elegendő az Ön alkalmazásához. Ha a vezetett sugárzás 100 MHz-en nem sikerül, akkor a legkisebb impedanciájú kondenzátor 100 MHz-en jó választás.
Ez egy újabb félreértés az MLCC-vel kapcsolatban. Láttam, hogy a mérnökök sok energiát költenek a legalacsonyabb ESR- és ESL-értékkel rendelkező kerámia kondenzátorok kiválasztására, mielőtt a kondenzátorokat hosszú nyomvonalakon keresztül csatlakoztatnák az RF referenciaponthoz. Érdemes megemlíteni, hogy az MLCC ESL-je általában sok. kisebb, mint a kártyán lévő csatlakozási induktivitás.A kerámia kondenzátorok nagyfrekvenciás impedanciáját befolyásoló legfontosabb paraméter még mindig a csatlakozási induktivitás7.
A 7. ábra egy rossz példát mutat. A hosszú nyomok (0,5 hüvelyk hosszú) legalább 10 nH induktivitást mutatnak be. A szimulációs eredmény azt mutatja, hogy a kondenzátor impedanciája a frekvenciaponton (50 MHz) a vártnál sokkal nagyobb lesz.
Az MLCC-kkel kapcsolatos egyik probléma az, hogy hajlamosak rezonálni a táblán lévő induktív szerkezettel. Ez látható a 8. ábrán látható példán, ahol egy 10 µF-os MLCC használata körülbelül 300 kHz-en rezonanciát hoz létre.
Csökkentheti a rezonanciát, ha nagyobb ESR-rel rendelkező alkatrészt választ, vagy egyszerűen sorba állít egy kis értékű ellenállást (például 1 ohmos) egy kondenzátorral. Ez a fajta módszer veszteséges összetevőket használ a rendszer elnyomására. Egy másik módszer egy másik kapacitás használata értékkel mozgathatja a rezonanciát egy alacsonyabb vagy magasabb rezonanciapontra.
A filmkondenzátorokat számos alkalmazásban használják. Ezeket a kondenzátorokat választják a nagy teljesítményű DC-DC konverterekhez, és EMI-elnyomó szűrőként használják őket távvezetékeken (AC és DC), valamint közös módú szűrőkonfigurációkban. Az X kondenzátort tekintjük egy példa a filmkondenzátorok használatának néhány főbb pontjának illusztrálására.
Ha túlfeszültség történik, az segít korlátozni a vezeték csúcsfeszültségét, ezért általában tranziens feszültségcsillapítóval (TVS) vagy fém-oxid varisztorral (MOV) használják.
Lehet, hogy mindezt már tudja, de tudta, hogy egy X kondenzátor kapacitásértéke jelentősen csökkenthető éves használat mellett? Ez különösen igaz, ha a kondenzátort párás környezetben használják. Láttam a kapacitás értékét a az X kondenzátor egy-két éven belül csak a névleges értékének néhány százalékára csökken, így az eredetileg X kondenzátorral tervezett rendszer valójában elveszítette az előlapi kondenzátor összes védelmét.
Szóval, mi történt?A nedves levegő beszivároghat a kondenzátorba, felfelé a vezetéken, valamint a doboz és az epoxigyanta között. Az alumínium fémezés ezután oxidálható. Az alumínium-oxid jó elektromos szigetelő, ezáltal csökkenti a kapacitást. Ez egy olyan probléma, minden filmkondenzátor találkozni fog.A probléma, amiről beszélek, a filmvastagság.A jó hírű kondenzátormárkák vastagabb fóliát használnak, ami nagyobb kondenzátorokat eredményez, mint más márkák.A vékonyabb film kevésbé ellenálló a túlterheléssel szemben (feszültség, áram vagy hőmérséklet), és nem valószínű, hogy meggyógyul magától.
Ha az X kondenzátor nincs állandóan csatlakoztatva a tápegységhez, akkor nem kell aggódnia. Például egy olyan terméknél, amelynél a tápegység és a kondenzátor között kemény kapcsoló van, a méret fontosabb lehet, mint az élet. akkor választhat vékonyabb kondenzátort.
Ha azonban a kondenzátor tartósan csatlakoztatva van az áramforráshoz, annak rendkívül megbízhatónak kell lennie. A kondenzátorok oxidációja nem elkerülhetetlen. Ha a kondenzátor epoxi anyaga jó minőségű, és a kondenzátor nem gyakran van kitéve szélsőséges hőmérsékletnek, értékének minimálisnak kell lennie.
Ebben a cikkben először mutatjuk be a kondenzátorok térelméleti nézetét.Gyakorlati példák és szimulációs eredmények mutatják be, hogyan válasszuk ki és használjuk a leggyakoribb kondenzátortípusokat.Reméljük, hogy ez az információ segíthet átfogóbban megérteni a kondenzátorok szerepét az elektronikai és EMC-tervezésben.
Dr. Min Zhang alapítója és vezető EMC-tanácsadója a Mach One Design Ltd-nek, egy brit székhelyű mérnöki cégnek, amely EMC-tanácsadásra, hibaelhárításra és képzésre szakosodott. Az erősáramú elektronika, a digitális elektronika, a motorok és a terméktervezés terén szerzett mélyreható ismeretei hasznot húztak. cégek szerte a világon.
Az In Compliance a hírek, információk, oktatás és inspiráció fő forrása az elektromos és elektronikai mérnökök számára.
Repülőgépjárművek Kommunikáció Szórakoztató elektronika Oktatás Energetika és áramipar Információs technológia Orvosi Katonai és Honvédelmi