nyheter

Kondensatorer er en av de mest brukte komponentene på kretskort. Ettersom antallet elektroniske enheter (fra mobiltelefoner til biler) fortsetter å øke, øker også etterspørselen etter kondensatorer. Covid 19-pandemien har forstyrret den globale komponentforsyningskjeden fra halvledere til passive komponenter, og kondensatorer har vært mangelvare1.
Diskusjoner om temaet kondensatorer kan enkelt gjøres om til en bok eller en ordbok. For det første er det forskjellige typer kondensatorer, for eksempel elektrolytiske kondensatorer, filmkondensatorer, keramiske kondensatorer og så videre. Så, i samme type, er det forskjellige dielektriske materialer. Det er også forskjellige klasser. Når det gjelder den fysiske strukturen, er det to-terminale og tre-terminale kondensatortyper. Det er også en kondensator av typen X2Y, som egentlig er et par Y-kondensatorer innkapslet i en. Hva med superkondensatorer? Faktum er at hvis du setter deg ned og begynner å lese guider for valg av kondensatorer fra store produsenter, kan du enkelt bruke dagen!
Siden denne artikkelen handler om det grunnleggende, vil jeg bruke en annen metode som vanlig. Som nevnt tidligere kan du enkelt finne veiledninger for valg av kondensator på leverandørnettstedene 3 og 4, og feltingeniører kan vanligvis svare på de fleste spørsmål om kondensatorer. I denne artikkelen vil jeg ikke gjenta det du kan finne på Internett, men vil demonstrere hvordan du velger og bruker kondensatorer gjennom praktiske eksempler. Noen mindre kjente aspekter ved valg av kondensator, for eksempel kapasitansforringelse, vil også bli dekket. Etter å ha lest denne artikkelen bør du ha en god forståelse av bruken av kondensatorer.
For mange år siden, da jeg jobbet i et firma som laget elektronisk utstyr, hadde vi et intervjuspørsmål til en kraftelektronikkingeniør. På det skjematiske diagrammet av det eksisterende produktet vil vi spørre potensielle kandidater "Hva er funksjonen til DC-link elektrolytkondensatoren?" og "Hva er funksjonen til den keramiske kondensatoren ved siden av brikken?" Vi håper at det riktige svaret er DC-busskondensatoren. Brukes til energilagring, keramiske kondensatorer brukes til filtrering.
Det "riktige" svaret vi søker viser faktisk at alle i designteamet ser på kondensatorer fra et enkelt kretsperspektiv, ikke fra et feltteoretisk perspektiv. Synspunktet til kretsteori er ikke feil. Ved lave frekvenser (fra noen få kHz til noen få MHz) kan kretsteori vanligvis forklare problemet godt. Dette er fordi ved lavere frekvenser er signalet hovedsakelig i differensialmodus. Ved å bruke kretsteori kan vi se kondensatoren vist i figur 1, hvor ekvivalent seriemotstand (ESR) og ekvivalent serieinduktans (ESL) får impedansen til kondensatoren til å endre seg med frekvensen.
Denne modellen forklarer fullstendig kretsytelsen når kretsen byttes sakte. Men etter hvert som frekvensen øker, blir ting mer og mer komplisert. På et tidspunkt begynner komponenten å vise ikke-linearitet. Når frekvensen øker, har den enkle LCR-modellen sine begrensninger.
I dag, hvis jeg ble stilt det samme intervjuspørsmålet, ville jeg brukt feltteoretiske observasjonsbriller og sagt at begge kondensatortypene er energilagringsenheter. Forskjellen er at elektrolytiske kondensatorer kan lagre mer energi enn keramiske kondensatorer. Men når det gjelder energioverføring, kan keramiske kondensatorer overføre energi raskere. Dette forklarer hvorfor keramiske kondensatorer må plasseres ved siden av brikken, fordi brikken har en høyere bryterfrekvens og byttehastighet sammenlignet med hovedstrømkretsen.
Fra dette perspektivet kan vi ganske enkelt definere to ytelsesstandarder for kondensatorer. Den ene er hvor mye energi kondensatoren kan lagre, og den andre er hvor raskt denne energien kan overføres. Begge avhenger av produksjonsmetoden til kondensatoren, det dielektriske materialet, forbindelsen med kondensatoren og så videre.
Når bryteren i kretsen er lukket (se figur 2), indikerer det at lasten trenger energi fra strømkilden. Hastigheten som denne bryteren lukker med bestemmer hvor presserende energibehovet er. Siden energi beveger seg med lysets hastighet (halvparten av lysets hastighet i FR4-materialer), tar det tid å overføre energi. I tillegg er det et impedansmisforhold mellom kilden og overføringslinjen og lasten. Dette betyr at energi aldri vil bli overført på én tur, men i flere rundturer5, og det er grunnen til at når bryteren byttes raskt, vil vi se forsinkelser og ringing i byttebølgeformen.
Figur 2: Det tar tid for energi å forplante seg i verdensrommet; impedansmistilpasning forårsaker flere rundturer med energioverføring.
Det faktum at energilevering tar tid og flere rundturer forteller oss at vi må flytte energien så nærme lasten som mulig, og vi må finne en måte å levere den raskt på. Den første oppnås vanligvis ved å redusere den fysiske avstanden mellom lasten, bryteren og kondensatoren. Sistnevnte oppnås ved å samle en gruppe kondensatorer med den minste impedansen.
Feltteori forklarer også hva som forårsaker vanlig modusstøy. Kort sagt, vanlig modusstøy genereres når energibehovet til lasten ikke dekkes under veksling. Derfor vil energien som er lagret i rommet mellom lasten og nærliggende ledere tilveiebringes for å støtte trinnbehovet. Rommet mellom lasten og nærliggende ledere er det vi kaller parasittisk/gjensidig kapasitans (se figur 2).
Vi bruker følgende eksempler for å demonstrere hvordan man bruker elektrolytiske kondensatorer, flerlags keramiske kondensatorer (MLCC) og filmkondensatorer. Både krets- og feltteori brukes for å forklare ytelsen til utvalgte kondensatorer.
Elektrolytiske kondensatorer brukes hovedsakelig i DC-koblingen som hovedenergikilde. Valget av elektrolytisk kondensator avhenger ofte av:
For EMC-ytelse er de viktigste egenskapene til kondensatorer impedans- og frekvenskarakteristikk. Lavfrekvent ledet emisjon avhenger alltid av ytelsen til DC-linkkondensatoren.
Impedansen til DC-koblingen avhenger ikke bare av kondensatorens ESR og ESL, men også av arealet til den termiske sløyfen, som vist i figur 3. Et større termisk sløyfeområde betyr at energioverføringen tar lengre tid, så ytelsen vil bli berørt.
En step-down DC-DC-omformer ble bygget for å bevise dette. Pre-compliance EMC-testoppsettet vist i figur 4 utfører en utført emisjonsskanning mellom 150kHz og 108MHz.
Det er viktig å sikre at kondensatorene som brukes i denne casestudien alle er fra samme produsent for å unngå forskjeller i impedansegenskaper. Når du lodder kondensatoren på kretskortet, sørg for at det ikke er lange ledninger, da dette vil øke ESL til kondensatoren. Figur 5 viser de tre konfigurasjonene.
De ledede emisjonsresultatene for disse tre konfigurasjonene er vist i figur 6. Det kan sees at sammenlignet med en enkelt 680 µF kondensator, oppnår de to 330 µF kondensatorene en støyreduksjonsytelse på 6 dB over et bredere frekvensområde.
Fra kretsteorien kan man si at ved å koble to kondensatorer parallelt, halveres både ESL og ESR. Fra feltteoretisk synspunkt er det ikke bare én energikilde, men to energikilder leveres til samme belastning, noe som effektivt reduserer den totale energioverføringstiden. Ved høyere frekvenser vil imidlertid forskjellen mellom to 330 µF kondensatorer og en 680 µF kondensator krympe. Dette er fordi høyfrekvent støy indikerer utilstrekkelig trinnenergirespons. Når vi flytter en 330 µF kondensator nærmere bryteren, reduserer vi energioverføringstiden, noe som effektivt øker trinnresponsen til kondensatoren.
Resultatet forteller oss en veldig viktig lærdom. Å øke kapasitansen til en enkelt kondensator vil generelt ikke støtte trinnkravet for mer energi. Hvis mulig, bruk noen mindre kapasitive komponenter. Det er mange gode grunner til dette. Den første er kostnad. Generelt sett, for samme pakkestørrelse, øker kostnaden for en kondensator eksponentielt med kapasitansverdien. Å bruke en enkelt kondensator kan være dyrere enn å bruke flere mindre kondensatorer. Den andre grunnen er størrelsen. Den begrensende faktoren i produktdesign er vanligvis høyden på komponentene. For kondensatorer med stor kapasitet er høyden ofte for stor, noe som ikke egner seg for produktdesign. Den tredje grunnen er EMC-ytelsen vi så i casestudien.
En annen faktor å vurdere når du bruker en elektrolytisk kondensator er at når du kobler to kondensatorer i serie for å dele spenningen, trenger du en balanseringsmotstand 6.
Som nevnt tidligere er keramiske kondensatorer miniatyrenheter som raskt kan gi energi. Jeg får ofte spørsmålet "Hvor mye kondensator trenger jeg?" Svaret på dette spørsmålet er at for keramiske kondensatorer bør ikke kapasitansverdien være så viktig. Den viktige vurderingen her er å bestemme ved hvilken frekvens energioverføringshastigheten er tilstrekkelig for din applikasjon. Hvis den ledede emisjonen svikter ved 100 MHz, vil kondensatoren med den minste impedansen ved 100 MHz være et godt valg.
Dette er en annen misforståelse av MLCC. Jeg har sett ingeniører bruke mye energi på å velge keramiske kondensatorer med lavest ESR og ESL før de kobler kondensatorene til RF-referansepunktet gjennom lange spor. Det er verdt å nevne at ESL til MLCC vanligvis er mye lavere enn tilkoblingsinduktansen på brettet. Tilkoblingsinduktans er fortsatt den viktigste parameteren som påvirker høyfrekvensimpedansen til keramiske kondensatorer7.
Figur 7 viser et dårlig eksempel. Lange spor (0,5 tommer lange) introduserer minst 10nH induktans. Simuleringsresultatet viser at impedansen til kondensatoren blir mye høyere enn forventet ved frekvenspunktet (50 MHz).
Et av problemene med MLCC-er er at de har en tendens til å resonere med den induktive strukturen på brettet. Dette kan sees i eksemplet vist i figur 8, der bruken av en 10 µF MLCC introduserer resonans ved omtrent 300 kHz.
Du kan redusere resonansen ved å velge en komponent med en større ESR eller ganske enkelt sette en motstand med liten verdi (som 1 ohm) i serie med en kondensator. Denne typen metode bruker komponenter med tap for å undertrykke systemet. En annen metode er å bruke en annen kapasitansverdi for å flytte resonansen til et lavere eller høyere resonanspunkt.
Filmkondensatorer brukes i mange applikasjoner. De er de foretrukne kondensatorene for høyeffekts DC-DC-omformere og brukes som EMI-undertrykkelsesfiltre over kraftledninger (AC og DC) og fellesmodus-filtreringskonfigurasjoner. Vi tar en X-kondensator som eksempel for å illustrere noen av hovedpoengene ved bruk av filmkondensatorer.
Hvis det oppstår en overspenningshendelse, bidrar det til å begrense toppspenningsspenningen på linjen, så den brukes vanligvis med en transient spenningsundertrykker (TVS) eller metalloksidvaristor (MOV).
Du vet kanskje alt dette allerede, men visste du at kapasitansverdien til en X-kondensator kan reduseres betydelig med mange års bruk? Dette gjelder spesielt hvis kondensatoren brukes i et fuktig miljø. Jeg har sett kapasitansverdien til X-kondensatoren bare synke til noen få prosent av dens nominelle verdi i løpet av et år eller to, så systemet som opprinnelig ble designet med X-kondensatoren mistet faktisk all beskyttelsen som front-end-kondensatoren kan ha.
Så, hva skjedde? Fuktighetsluft kan lekke inn i kondensatoren, oppover ledningen og mellom boksen og epoksypottemassen. Aluminiummetalliseringen kan deretter oksideres. Alumina er en god elektrisk isolator, og reduserer dermed kapasitansen. Dette er et problem som alle filmkondensatorer vil møte. Problemet jeg snakker om er filmtykkelse. Anerkjente kondensatormerker bruker tykkere filmer, noe som resulterer i større kondensatorer enn andre merker. Den tynnere filmen gjør kondensatoren mindre robust mot overbelastning (spenning, strøm eller temperatur), og det er usannsynlig at den helbreder seg selv.
Hvis X-kondensatoren ikke er permanent koblet til strømforsyningen, trenger du ikke bekymre deg. For eksempel, for et produkt som har en hard switch mellom strømforsyning og kondensator, kan størrelsen være viktigere enn livet, og da kan du velge en tynnere kondensator.
Men hvis kondensatoren er permanent koblet til strømkilden, må den være svært pålitelig. Oksydasjon av kondensatorer er ikke uunngåelig. Hvis kondensatorepoksymaterialet er av god kvalitet og kondensatoren ikke ofte utsettes for ekstreme temperaturer, bør verdifallet være minimalt.
I denne artikkelen introduserte først feltteoretisk syn på kondensatorer. Praktiske eksempler og simuleringsresultater viser hvordan man velger og bruker de vanligste kondensatortypene. Håper denne informasjonen kan hjelpe deg å forstå rollen til kondensatorer i elektronisk og EMC-design mer omfattende.
Dr. Min Zhang er grunnlegger og sjef EMC-konsulent for Mach One Design Ltd, et britisk-basert ingeniørselskap som spesialiserer seg på EMC-rådgivning, feilsøking og opplæring. Hans inngående kunnskap innen kraftelektronikk, digital elektronikk, motorer og produktdesign har kommet bedrifter over hele verden til gode.
In Compliance er hovedkilden til nyheter, informasjon, utdanning og inspirasjon for fagfolk innen elektro og elektronikk.
Luftfart Bilkommunikasjon Forbrukerelektronikk Utdanning Energi og kraftindustri Informasjonsteknologi Medisinsk militært og nasjonalt forsvar