новости

Конденсаторы являются одним из наиболее часто используемых компонентов на печатных платах. Поскольку количество электронных устройств (от мобильных телефонов до автомобилей) продолжает расти, растет и спрос на конденсаторы. Пандемия Covid 19 нарушила глобальную цепочку поставок компонентов от полупроводников до пассивных компонентов, а конденсаторы оказались в дефиците1.
Дискуссии на тему конденсаторов легко превратить в книгу или словарь. Во-первых, существуют различные типы конденсаторов, такие как электролитические конденсаторы, пленочные конденсаторы, керамические конденсаторы и так далее. Кроме того, в одном и том же типе существуют разные диэлектрические материалы. Также есть разные классы. Что касается физической структуры, существуют двухполюсные и трехполюсные типы конденсаторов. Существует также конденсатор типа X2Y, который по сути представляет собой пару конденсаторов Y, заключенных в один. А как насчет суперконденсаторов? Дело в том, что если вы сядете и начнете читать руководства по выбору конденсаторов от крупных производителей, вы легко сможете потратить на это целый день!
Поскольку эта статья посвящена основам, я, как обычно, буду использовать другой метод. Как упоминалось ранее, руководства по выбору конденсаторов можно легко найти на веб-сайтах поставщиков 3 и 4, и инженеры по эксплуатации обычно могут ответить на большинство вопросов о конденсаторах. В этой статье я не буду повторять то, что можно найти в Интернете, а покажу, как выбирать и использовать конденсаторы на практических примерах. Также будут рассмотрены некоторые менее известные аспекты выбора конденсаторов, такие как ухудшение емкости. Прочитав эту статью, вы должны иметь хорошее представление об использовании конденсаторов.
Несколько лет назад, когда я работал в компании, производящей электронное оборудование, у нас был вопрос на собеседовании к инженеру по силовой электронике. На принципиальной схеме существующего продукта мы спросим потенциальных кандидатов: «Какова функция электролитического конденсатора звена постоянного тока?» и «Какова функция керамического конденсатора, расположенного рядом с чипом?» Мы надеемся, что правильный ответ — конденсатор шины постоянного тока. Керамические конденсаторы, используемые для хранения энергии, используются для фильтрации.
«Правильный» ответ, который мы ищем, на самом деле показывает, что все в команде разработчиков смотрят на конденсаторы с точки зрения простой схемы, а не с точки зрения теории поля. Точка зрения теории цепей не ошибочна. На низких частотах (от нескольких кГц до нескольких МГц) теория цепей обычно может хорошо объяснить проблему. Это связано с тем, что на более низких частотах сигнал находится в основном в дифференциальном режиме. Используя теорию цепей, мы можем увидеть конденсатор, показанный на рисунке 1, где эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) заставляют импеданс конденсатора изменяться с частотой.
Эта модель полностью объясняет работу схемы при медленном переключении цепи. Однако с увеличением частоты все становится все сложнее и сложнее. В какой-то момент компонент начинает проявлять нелинейность. Когда частота увеличивается, простая модель LCR имеет свои ограничения.
Сегодня, если бы мне задали тот же вопрос на собеседовании, я бы надел очки для наблюдения по теории поля и сказал, что оба типа конденсаторов являются устройствами хранения энергии. Разница в том, что электролитические конденсаторы могут хранить больше энергии, чем керамические конденсаторы. Но с точки зрения передачи энергии керамические конденсаторы могут передавать энергию быстрее. Это объясняет, почему рядом с микросхемой необходимо размещать керамические конденсаторы, поскольку микросхема имеет более высокую частоту коммутации и скорость переключения по сравнению с основной цепью питания.
С этой точки зрения мы можем просто определить два стандарта производительности конденсаторов. Первый – это то, сколько энергии может хранить конденсатор, а другой – насколько быстро эта энергия может передаваться. И то и другое зависит от способа изготовления конденсатора, материала диэлектрика, соединения с конденсатором и так далее.
Когда переключатель в цепи замкнут (см. рисунок 2), это указывает на то, что нагрузке необходима энергия от источника питания. Скорость замыкания этого переключателя определяет срочность потребности в энергии. Поскольку энергия распространяется со скоростью света (половина скорости света в материалах FR4), для передачи энергии требуется время. Кроме того, существует несоответствие импедансов между источником, линией передачи и нагрузкой. Это означает, что энергия никогда не будет передаваться за один проход, а за несколько проходов туда и обратно5, поэтому при быстром переключении выключателя мы увидим задержки и звон в форме сигнала переключения.
Рисунок 2: Для распространения энергии в пространстве требуется время; Несоответствие импедансов приводит к многократной передаче энергии туда и обратно.
Тот факт, что доставка энергии требует времени и множества обходов, говорит нам о том, что нам необходимо переместить энергию как можно ближе к нагрузке, и нам нужно найти способ доставить ее быстро. Первое обычно достигается за счет уменьшения физического расстояния между нагрузкой, переключателем и конденсатором. Последнее достигается путем сбора группы конденсаторов с наименьшим сопротивлением.
Теория поля также объясняет, что вызывает синфазный шум. Короче говоря, синфазный шум генерируется, когда потребность нагрузки в энергии не удовлетворяется во время переключения. Таким образом, энергия, запасенная в пространстве между нагрузкой и близлежащими проводниками, будет использоваться для поддержания потребности в шаге. Пространство между нагрузкой и близлежащими проводниками — это то, что мы называем паразитной/взаимной емкостью (см. рисунок 2).
Мы используем следующие примеры, чтобы продемонстрировать, как использовать электролитические конденсаторы, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) и пленочные конденсаторы. Для объяснения характеристик выбранных конденсаторов используются как теория цепей, так и теория поля.
Электролитические конденсаторы в основном используются в звене постоянного тока в качестве основного источника энергии. Выбор электролитического конденсатора часто зависит от:
Для обеспечения ЭМС наиболее важными характеристиками конденсаторов являются импеданс и частотные характеристики. Низкочастотные кондуктивные излучения всегда зависят от характеристик конденсатора звена постоянного тока.
Импеданс звена постоянного тока зависит не только от ESR и ESL конденсатора, но и от площади тепловой петли, как показано на рисунке 3. Большая площадь тепловой петли означает, что передача энергии занимает больше времени, поэтому производительность будет затронуто.
Чтобы доказать это, был создан понижающий преобразователь постоянного тока. Установка для предварительного тестирования ЭМС, показанная на рисунке 4, выполняет сканирование кондуктивных излучений в диапазоне от 150 кГц до 108 МГц.
Важно убедиться, что все конденсаторы, используемые в этом примере, изготовлены одним и тем же производителем, чтобы избежать различий в характеристиках импеданса. При пайке конденсатора на печатной плате следите за тем, чтобы не было длинных выводов, так как это увеличит ESL конденсатора. На рис. 5 показаны три конфигурации.
Результаты кондуктивного излучения этих трех конфигураций показаны на рисунке 6. Видно, что по сравнению с одним конденсатором емкостью 680 мкФ два конденсатора емкостью 330 мкФ обеспечивают снижение шума на 6 дБ в более широком диапазоне частот.
Из теории цепей можно сказать, что при параллельном соединении двух конденсаторов ESL и ESR уменьшаются вдвое. С точки зрения теории поля, существует не только один источник энергии, но и два источника энергии подаются на одну и ту же нагрузку, что эффективно сокращает общее время передачи энергии. Однако на более высоких частотах разница между двумя конденсаторами емкостью 330 мкФ и одним конденсатором емкостью 680 мкФ будет уменьшаться. Это связано с тем, что высокочастотный шум указывает на недостаточную реакцию энергии шага. При перемещении конденсатора емкостью 330 мкФ ближе к ключу мы уменьшаем время передачи энергии, что эффективно увеличивает переходную характеристику конденсатора.
Результат преподносит нам очень важный урок. Увеличение емкости одного конденсатора, как правило, не поддерживает ступенчатую потребность в большем количестве энергии. Если возможно, используйте емкостные компоненты меньшего размера. Для этого есть много веских причин. Во-первых, это стоимость. Вообще говоря, для одного и того же размера корпуса стоимость конденсатора увеличивается экспоненциально с увеличением значения емкости. Использование одного конденсатора может оказаться дороже, чем использование нескольких конденсаторов меньшего размера. Вторая причина – размер. Ограничивающим фактором при проектировании продукта обычно является высота компонентов. Для конденсаторов большой емкости высота часто бывает слишком большой, что не подходит для конструкции изделия. Третья причина — эффективность EMC, которую мы видели в примере.
Еще одним фактором, который следует учитывать при использовании электролитического конденсатора, является то, что при последовательном соединении двух конденсаторов для разделения напряжения вам понадобится балансировочный резистор 6.
Как уже говорилось ранее, керамические конденсаторы — это миниатюрные устройства, способные быстро обеспечивать энергию. Мне часто задают вопрос «Сколько конденсатора мне нужно?» Ответ на этот вопрос заключается в том, что для керамических конденсаторов величина емкости не должна иметь такого значения. Важным моментом здесь является определение того, на какой частоте скорость передачи энергии достаточна для вашего приложения. Если кондуктивное излучение не работает на частоте 100 МГц, то хорошим выбором будет конденсатор с наименьшим импедансом на частоте 100 МГц.
Это еще одно недопонимание MLCC. Я видел, как инженеры тратили много энергии, выбирая керамические конденсаторы с наименьшими ESR и ESL, прежде чем подключать конденсаторы к опорной точке RF через длинные дорожки. Стоит отметить, что ESL MLCC обычно намного ниже, чем индуктивность подключения на плате. Индуктивность соединения по-прежнему остается наиболее важным параметром, влияющим на высокочастотное сопротивление керамических конденсаторов7.
На рисунке 7 показан плохой пример. Длинные дорожки (длиной 0,5 дюйма) создают индуктивность не менее 10 нГн. Результат моделирования показывает, что импеданс конденсатора становится намного выше ожидаемого в частотной точке (50 МГц).
Одна из проблем MLCC заключается в том, что они имеют тенденцию резонировать с индуктивной структурой платы. Это можно увидеть на примере, показанном на рисунке 8, где использование MLCC 10 мкФ приводит к резонансу на частоте примерно 300 кГц.
Вы можете уменьшить резонанс, выбрав компонент с большим ESR или просто подключив резистор небольшого номинала (например, 1 Ом) последовательно с конденсатором. Этот тип метода использует компоненты с потерями для подавления системы. Другой метод — использовать другое значение емкости для перемещения резонанса в более низкую или более высокую точку резонанса.
Пленочные конденсаторы используются во многих приложениях. Они являются предпочтительными конденсаторами для мощных преобразователей постоянного тока и используются в качестве фильтров подавления электромагнитных помех в линиях электропередачи (переменного и постоянного тока) и в конфигурациях фильтрации синфазного сигнала. В качестве примера мы возьмем конденсатор X, чтобы проиллюстрировать некоторые основные моменты использования пленочных конденсаторов.
Если происходит перенапряжение, это помогает ограничить пиковое напряжение в линии, поэтому его обычно используют с ограничителем переходного напряжения (TVS) или металлооксидным варистором (MOV).
Возможно, вы уже все это знаете, но знаете ли вы, что значение емкости конденсатора X можно значительно уменьшить с годами использования? Это особенно актуально, если конденсатор используется во влажной среде. Я видел, как значение емкости конденсатора X упало всего до нескольких процентов от его номинального значения в течение года или двух, поэтому система, изначально спроектированная с конденсатором X, фактически потеряла всю защиту, которую мог бы иметь входной конденсатор.
Итак, что случилось? Влажный воздух может просочиться в конденсатор, вверх по проводу и между коробкой и эпоксидной заливкой. Затем металлизация алюминия может быть окислена. Глинозем является хорошим электрическим изолятором, тем самым уменьшая емкость. Это проблема, с которой сталкиваются все пленочные конденсаторы. Я говорю о толщине пленки. Известные производители конденсаторов используют более толстые пленки, в результате чего конденсаторы имеют больший размер, чем конденсаторы других марок. Более тонкая пленка делает конденсатор менее устойчивым к перегрузкам (напряжению, току или температуре), и он вряд ли самовосстановится.
Если конденсатор X не подключен к источнику питания постоянно, то вам не о чем беспокоиться. Например, для продукта, который имеет жесткое переключение между источником питания и конденсатором, размер может быть важнее срока службы, и тогда вы можете выбрать более тонкий конденсатор.
Однако если конденсатор постоянно подключен к источнику питания, он должен быть очень надежным. Окисление конденсаторов не является неизбежным. Если эпоксидный материал конденсатора хорошего качества и конденсатор не часто подвергается воздействию экстремальных температур, падение значения должно быть минимальным.
В этой статье впервые представлен взгляд на конденсаторы с точки зрения теории поля. Практические примеры и результаты моделирования показывают, как выбирать и использовать наиболее распространенные типы конденсаторов. Надеюсь, эта информация поможет вам более полно понять роль конденсаторов в проектировании электроники и ЭМС.
Доктор Мин Чжан — основатель и главный консультант по электромагнитной совместимости Mach One Design Ltd, британской инжиниринговой компании, специализирующейся на консультировании по электромагнитной совместимости, устранении неполадок и обучении. Его глубокие знания в области силовой электроники, цифровой электроники, двигателей и дизайна продукции принесли пользу компаниям по всему миру.
In Compliance — главный источник новостей, информации, образования и вдохновения для специалистов в области электротехники и электроники.
Аэрокосмическая промышленность Автомобильная связь Бытовая электроника Образование Энергетика Информационные технологии Медицина Военная и национальная оборона