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 из полупроводников. пассивным компонентам, а конденсаторы были в дефиците1.
Обсуждения на тему конденсаторов легко превратить в книгу или словарь. Во-первых, существуют разные типы конденсаторов, такие как электролитические конденсаторы, пленочные конденсаторы, керамические конденсаторы и так далее. Затем, в одном и том же типе существуют разные диэлектрические материалы. Существуют также разные классы. Что касается физической структуры, существуют типы конденсаторов с двумя и тремя выводами. Существует также конденсатор типа X2Y, который по сути представляет собой пару конденсаторов Y, инкапсулированных 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 вы можете найти в Интернете, а покажу, как выбирать и использовать конденсаторы на практических примерах. Также будут освещены некоторые менее известные аспекты выбора конденсаторов, такие как деградация емкости. Прочитав эту статью, вы должен иметь хорошее представление об использовании конденсаторов.
Несколько лет назад, когда я работал в компании, производящей электронное оборудование, у нас был вопрос на собеседовании с инженером по силовой электронике. На принципиальной схеме существующего продукта мы спросим потенциальных кандидатов: «Какова функция электролитического преобразователя звена постоянного тока?» конденсатор?"и «Какова функция керамического конденсатора 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 члены команды разработчиков смотрят на конденсаторы с точки зрения простой схемы, а не с точки зрения теории поля. Точка зрения теории цепей не является ошибочной. 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 сопротивление конденсатора изменяться с частотой.
Эта модель полностью объясняет работу схемы при медленном переключении схемы. 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 керамические конденсаторы необходимо размещать рядом с чипом, поскольку чип имеет более высокую частоту переключения 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 метода изготовления конденсатора, диэлектрического материала, соединение 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 скорость 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 одно путешествие, а за несколько туда и обратно5, поэтому при быстром переключении переключателя мы видим 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 передача энергии требует времени и многократного обхода, говорит нам о том, что нам необходимо расположить источник энергии как можно ближе к нагрузке, и нам нужно найти способ быстрой передачи энергии. Первое обычно достигается за счет уменьшения физической нагрузки. расстояние между нагрузкой, выключателем 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 поддержки требование шага. 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 испытания на соответствие требованиям 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, принадлежат одному и тому же производителю, чтобы избежать различий в характеристиках импеданса. При пайке конденсатора на печатной плате убедитесь, что нет длинных выводов, так как это увеличит ESL конденсатор. На рисунке 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 как ESL, так и ESR уменьшаются вдвое. С точки зрения теории поля, на одну и ту же нагрузку подается не только один источник энергии, но и два источника энергии. , эффективно сокращая 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 недостаточный переходный энергетический отклик. При перемещении конденсатора емкостью 330 мкФ ближе к переключатель, мы уменьшаем время передачи энергии, что эффективно увеличивает переходную реакцию конденсатора.
Результат преподносит нам очень важный урок. Увеличение емкости одного конденсатора, как правило, не обеспечивает ступенчатую потребность в большем количестве энергии. Если возможно, используйте несколько емкостных компонентов меньшего размера. Для этого есть много веских причин. Первая — стоимость. Как правило, говоря, для одного и того же размера корпуса стоимость конденсатора увеличивается экспоненциально с увеличением значения емкости. Использование одного конденсатора может быть дороже, чем использование нескольких конденсаторов меньшего размера. Вторая причина - размер. Ограничивающим фактором при проектировании продукта обычно является высота Из компонентов. Для конденсаторов большой емкости высота часто слишком велика для конструкции продукта. Третья причина — это характеристики ЭМС, которые 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 представляют собой 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 быть столь важна. 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 неправильное понимание 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 трассы. Стоит отметить, что ESL MLCC обычно намного ниже, чем индуктивность подключения на плате. Индуктивность подключения по-прежнему является 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, чем ожидалось, в частотной точке (50 МГц).
Одна из проблем MLCC заключается в том, что они имеют тенденцию резонировать с индуктивной структурой на плате. Это можно увидеть на примере, показанном на рисунке 8, где использование MLCC 10 мкФ приводит к резонансу примерно на частоте 300 кГц.
Вы можете уменьшить резонанс, выбрав компонент с большим ESR или просто подключив резистор небольшого номинала (например, 1 Ом) последовательно с конденсатором. В этом типе метода используются компоненты с потерями для подавления системы. Другой метод — использовать другую емкость. значение 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 в постоянный ток и используются в качестве фильтров подавления электромагнитных помех в линиях электропередачи (переменного и постоянного тока) и в конфигурациях синфазной фильтрации. Мы берем конденсатор X в качестве конденсатора X. пример, иллюстрирующий 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 может быть значительно уменьшено с годами использования? Это особенно верно, если конденсатор используется во влажной среде. Я видел значение емкости Конденсатор X падает 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 же произошло? Влажный воздух может просочиться в конденсатор, вверх по проводу и между коробкой и эпоксидной заливкой. Алюминиевая металлизация может затем окислиться. Глинозем является хорошим электрическим изолятором, тем самым уменьшая емкость. Это проблема, которая Сталкиваются все пленочные конденсаторы. Проблема, о которой я говорю, заключается в толщине пленки. Известные производители конденсаторов используют более толстые пленки, в результате чего получаются конденсаторы большего размера, чем у других марок. Более тонкая пленка делает конденсатор менее устойчивым к перегрузкам (напряжению, току или температуре), и вряд ли оно само излечится.
Если конденсатор X не подключен постоянно к источнику питания, 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 значение 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 электронном проектировании и проектировании ЭМС.
Доктор Минь Чжан является основателем и главным консультантом по электромагнитной совместимости Mach One Design Ltd, британской инжиниринговой компании, специализирующейся на консультировании, устранении неполадок и обучении по электромагнитной совместимости. Его глубокие знания в области силовой электроники, цифровой электроники, двигателей и проектирования изделий принесли пользу компании 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