nyheder

Kondensatorer er en af ​​de mest brugte komponenter på printkort. I takt med at antallet af elektroniske enheder (fra mobiltelefoner til biler) fortsætter med at stige, stiger efterspørgslen efter kondensatorer også. Covid 19-pandemien har forstyrret den globale komponentforsyningskæde fra halvledere til passive komponenter, og kondensatorer har været en mangelvare1.
Diskussioner om emnet kondensatorer kan nemt omdannes til en bog eller en ordbog. For det første er der forskellige typer kondensatorer, såsom elektrolytiske kondensatorer, filmkondensatorer, keramiske kondensatorer og så videre. Så er der i samme type forskellige dielektriske materialer. Der er også forskellige klasser. Hvad angår den fysiske struktur, er der to-terminal og tre-terminal kondensatortyper. Der er også en kondensator af typen X2Y, som i det væsentlige er et par Y-kondensatorer indkapslet i én. Hvad med superkondensatorer? Faktum er, at hvis du sætter dig ned og begynder at læse vejledninger til valg af kondensatorer fra store producenter, kan du nemt bruge dagen!
Da denne artikel handler om det grundlæggende, vil jeg bruge en anden metode som normalt. Som tidligere nævnt kan vejledninger til valg af kondensator let findes på leverandørwebsteder 3 og 4, og feltingeniører kan normalt besvare de fleste spørgsmål om kondensatorer. I denne artikel vil jeg ikke gentage, hvad du kan finde på internettet, men vil demonstrere, hvordan man vælger og bruger kondensatorer gennem praktiske eksempler. Nogle mindre kendte aspekter af kondensatorvalg, såsom kapacitansforringelse, vil også blive dækket. Efter at have læst denne artikel, bør du have en god forståelse for brugen af ​​kondensatorer.
For år siden, da jeg arbejdede i en virksomhed, der lavede elektronisk udstyr, havde vi et interviewspørgsmål til en kraftelektronikingeniør. På det skematiske diagram af det eksisterende produkt vil vi spørge potentielle kandidater "Hvad er funktionen af ​​DC-link elektrolytisk kondensator?" og "Hvad er funktionen af ​​den keramiske kondensator, der er placeret ved siden af ​​chippen?" Vi håber, at det rigtige svar er DC-buskondensatoren. Bruges til energilagring, keramiske kondensatorer bruges til filtrering.
Det "korrekte" svar, vi søger, viser faktisk, at alle i designteamet ser på kondensatorer fra et simpelt kredsløbsperspektiv, ikke fra et feltteoretisk perspektiv. Synspunktet for kredsløbsteori er ikke forkert. Ved lave frekvenser (fra nogle få kHz til nogle få MHz) kan kredsløbsteori normalt forklare problemet godt. Dette skyldes, at signalet ved lavere frekvenser hovedsageligt er i differentialtilstand. Ved hjælp af kredsløbsteori kan vi se kondensatoren vist i figur 1, hvor den ækvivalente seriemodstand (ESR) og ækvivalent serieinduktans (ESL) får kondensatorens impedans til at ændre sig med frekvensen.
Denne model forklarer fuldt ud kredsløbets ydeevne, når kredsløbet skiftes langsomt. Men efterhånden som frekvensen stiger, bliver tingene mere og mere komplicerede. På et tidspunkt begynder komponenten at vise ikke-linearitet. Når frekvensen stiger, har den simple LCR-model sine begrænsninger.
I dag, hvis jeg blev stillet det samme interviewspørgsmål, ville jeg bære mine feltteoretiske observationsbriller og sige, at begge kondensatortyper er energilagringsenheder. Forskellen er, at elektrolytiske kondensatorer kan lagre mere energi end keramiske kondensatorer. Men med hensyn til energitransmission kan keramiske kondensatorer overføre energi hurtigere. Dette forklarer, hvorfor keramiske kondensatorer skal placeres ved siden af ​​chippen, fordi chippen har en højere switch-frekvens og switch-hastighed sammenlignet med hovedstrømkredsløbet.
Fra dette perspektiv kan vi simpelthen definere to ydeevnestandarder for kondensatorer. Den ene er, hvor meget energi kondensatoren kan lagre, og den anden er, hvor hurtigt denne energi kan overføres. Begge afhænger af kondensatorens fremstillingsmetode, det dielektriske materiale, forbindelsen med kondensatoren og så videre.
Når kontakten i kredsløbet er lukket (se figur 2), indikerer det, at belastningen har brug for energi fra strømkilden. Den hastighed, hvormed denne kontakt lukker, bestemmer, hvor meget energibehovet er. Da energi rejser med lysets hastighed (halv af lysets hastighed i FR4-materialer), tager det tid at overføre energi. Derudover er der et impedansmisforhold mellem kilden og transmissionsledningen og belastningen. Det betyder, at energi aldrig vil blive overført på én tur, men i flere rundrejser5, hvorfor vi, når switchen hurtigt skiftes, vil se forsinkelser og ringetoner i switching-bølgeformen.
Figur 2: Det tager tid for energi at forplante sig i rummet; Impedansmismatch forårsager flere rundrejser med energioverførsel.
Det faktum, at energilevering tager tid og flere rundrejser, fortæller os, at vi skal flytte energien så tæt som muligt på lasten, og vi skal finde en måde at levere den hurtigt på. Den første opnås normalt ved at reducere den fysiske afstand mellem belastningen, kontakten og kondensatoren. Sidstnævnte opnås ved at samle en gruppe kondensatorer med den mindste impedans.
Felteori forklarer også, hvad der forårsager common mode-støj. Kort sagt genereres common mode-støj, når belastningens energibehov ikke opfyldes under omskiftning. Derfor vil den energi, der er lagret i rummet mellem belastningen og nærliggende ledere, blive tilvejebragt for at understøtte trinbehovet. Rummet mellem belastningen og nærliggende ledere er det, vi kalder parasitisk/gensidig kapacitans (se figur 2).
Vi bruger følgende eksempler til at demonstrere, hvordan man bruger elektrolytiske kondensatorer, flerlags keramiske kondensatorer (MLCC) og filmkondensatorer. Både kredsløbs- og feltteori bruges til at forklare ydelsen af ​​udvalgte kondensatorer.
Elektrolytiske kondensatorer bruges hovedsageligt i DC-forbindelsen som den vigtigste energikilde. Valget af elektrolytisk kondensator afhænger ofte af:
For EMC-ydelse er de vigtigste egenskaber ved kondensatorer impedans- og frekvenskarakteristika. Lavfrekvent ledede emissioner afhænger altid af DC-linkkondensatorens ydeevne.
Impedansen af ​​DC-forbindelsen afhænger ikke kun af kondensatorens ESR og ESL, men også af arealet af den termiske sløjfe, som vist i figur 3. Et større termisk sløjfeområde betyder, at energioverførslen tager længere tid, så ydeevnen vil blive påvirket.
En step-down DC-DC konverter blev bygget for at bevise dette. Pre-compliance EMC-testopsætningen vist i figur 4 udfører en udført emissionsscanning mellem 150kHz og 108MHz.
Det er vigtigt at sikre, at de kondensatorer, der bruges i dette casestudie, alle er fra samme producent for at undgå forskelle i impedansegenskaber. Når du lodder kondensatoren på printet, skal du sørge for, at der ikke er lange ledninger, da dette vil øge kondensatorens ESL. Figur 5 viser de tre konfigurationer.
De gennemførte emissionsresultater af disse tre konfigurationer er vist i figur 6. Det kan ses, at sammenlignet med en enkelt 680 µF kondensator opnår de to 330 µF kondensatorer en støjreduktionsydelse på 6 dB over et bredere frekvensområde.
Ud fra kredsløbsteorien kan man sige, at ved at forbinde to kondensatorer parallelt, halveres både ESL og ESR. Fra et feltteoretisk synspunkt er der ikke kun én energikilde, men to energikilder leveres til den samme belastning, hvilket effektivt reducerer den samlede energitransmissionstid. Men ved højere frekvenser vil forskellen mellem to 330 µF kondensatorer og en 680 µF kondensator krympe. Dette skyldes, at højfrekvent støj indikerer utilstrækkelig trinenergirespons. Når vi flytter en 330 µF kondensator tættere på kontakten, reducerer vi energioverførselstiden, hvilket effektivt øger kondensatorens steprespons.
Resultatet fortæller os en meget vigtig lektie. Forøgelse af kapacitansen af ​​en enkelt kondensator vil generelt ikke understøtte trinbehovet for mere energi. Hvis det er muligt, skal du bruge nogle mindre kapacitive komponenter. Det er der mange gode grunde til. Den første er omkostninger. Generelt for den samme pakkestørrelse stiger prisen på en kondensator eksponentielt med kapacitansværdien. Brug af en enkelt kondensator kan være dyrere end at bruge flere mindre kondensatorer. Den anden grund er størrelsen. Den begrænsende faktor i produktdesign er normalt højden af ​​komponenterne. For kondensatorer med stor kapacitet er højden ofte for stor, hvilket ikke er velegnet til produktdesign. Den tredje grund er den EMC-ydelse, vi så i casestudiet.
En anden faktor at overveje, når du bruger en elektrolytisk kondensator, er, at når du forbinder to kondensatorer i serie for at dele spændingen, skal du bruge en balanceringsmodstand 6.
Som tidligere nævnt er keramiske kondensatorer miniature-enheder, der hurtigt kan levere energi. Jeg bliver ofte stillet spørgsmålet "Hvor meget kondensator har jeg brug for?" Svaret på dette spørgsmål er, at for keramiske kondensatorer bør kapacitansværdien ikke være så vigtig. Den vigtige overvejelse her er at bestemme, ved hvilken frekvens energioverførselshastigheden er tilstrækkelig til din anvendelse. Hvis den ledede emission svigter ved 100 MHz, så vil kondensatoren med den mindste impedans ved 100 MHz være et godt valg.
Dette er endnu en misforståelse af MLCC. Jeg har set ingeniører bruge meget energi på at vælge keramiske kondensatorer med den laveste ESR og ESL, før de forbinder kondensatorerne til RF-referencepunktet gennem lange spor. Det er værd at nævne, at ESL for MLCC normalt er meget lavere end forbindelsesinduktansen på kortet. Tilslutningsinduktans er stadig den vigtigste parameter, der påvirker højfrekvensimpedansen af ​​keramiske kondensatorer7.
Figur 7 viser et dårligt eksempel. Lange spor (0,5 tommer lange) introducerer mindst 10nH induktans. Simuleringsresultatet viser, at kondensatorens impedans bliver meget højere end forventet ved frekvenspunktet (50 MHz).
Et af problemerne med MLCC'er er, at de har en tendens til at resonere med den induktive struktur på tavlen. Dette kan ses i eksemplet vist i figur 8, hvor brugen af ​​en 10 µF MLCC introducerer resonans ved ca. 300 kHz.
Du kan reducere resonans ved at vælge en komponent med en større ESR eller blot sætte en lille værdi modstand (såsom 1 ohm) i serie med en kondensator. Denne type metode bruger tabsgivende komponenter til at undertrykke systemet. En anden metode er at bruge en anden kapacitansværdi til at flytte resonansen til et lavere eller højere resonanspunkt.
Filmkondensatorer bruges i mange applikationer. De er de foretrukne kondensatorer til højeffekt DC-DC-konvertere og bruges som EMI-undertrykkelsesfiltre på tværs af strømledninger (AC og DC) og common-mode-filtreringskonfigurationer. Vi tager en X-kondensator som et eksempel for at illustrere nogle af hovedpunkterne ved at bruge filmkondensatorer.
Hvis der opstår en overspændingshændelse, hjælper det med at begrænse spidsspændingsspændingen på linjen, så den bruges normalt med en transient spændingsundertrykker (TVS) eller metaloxidvaristor (MOV).
Du ved måske allerede alt dette, men vidste du, at kapacitansværdien af ​​en X-kondensator kan reduceres betydeligt med mange års brug? Dette gælder især, hvis kondensatoren bruges i et fugtigt miljø. Jeg har set kapacitansværdien af ​​X-kondensatoren kun falde til et par procent af dens nominelle værdi inden for et år eller to, så systemet oprindeligt designet med X-kondensatoren mistede faktisk al den beskyttelse, som front-end-kondensatoren måtte have.
Så hvad skete der? Fugt luft kan lække ind i kondensatoren, op ad ledningen og mellem boksen og epoxy-pottemassen. Aluminiummetalliseringen kan derefter oxideres. Alumina er en god elektrisk isolator, der reducerer kapacitansen. Dette er et problem, som alle filmkondensatorer vil støde på. Det spørgsmål, jeg taler om, er filmtykkelse. Velrenommerede kondensatormærker bruger tykkere film, hvilket resulterer i større kondensatorer end andre mærker. Den tyndere film gør kondensatoren mindre robust over for overbelastning (spænding, strøm eller temperatur), og det er usandsynligt, at det heler sig selv.
Hvis X-kondensatoren ikke er permanent forbundet til strømforsyningen, så behøver du ikke bekymre dig. For et produkt, der har et hårdt skift mellem strømforsyningen og kondensatoren, kan størrelsen for eksempel være vigtigere end livet, og så kan du vælge en tyndere kondensator.
Men hvis kondensatoren er permanent forbundet til strømkilden, skal den være yderst pålidelig. Oxidation af kondensatorer er ikke uundgåelig. Hvis kondensatorepoxymaterialet er af god kvalitet, og kondensatoren ikke ofte udsættes for ekstreme temperaturer, bør værdifaldet være minimalt.
I denne artikel introducerede først feltteoretisk syn på kondensatorer. Praktiske eksempler og simuleringsresultater viser, hvordan man vælger og bruger de mest almindelige kondensatortyper. Håber disse oplysninger kan hjælpe dig med at forstå kondensatorernes rolle i elektronisk og EMC-design mere omfattende.
Dr. Min Zhang er grundlægger og chef-EMC-konsulent for Mach One Design Ltd, et britisk-baseret ingeniørfirma med speciale i EMC-rådgivning, fejlfinding og træning. Hans dybdegående viden inden for kraftelektronik, digital elektronik, motorer og produktdesign har været til gavn for virksomheder over hele verden.
In Compliance er den vigtigste kilde til nyheder, information, uddannelse og inspiration for fagfolk inden for elektro- og elektronikingeniører.
Luftfart Bilkommunikation Forbrugerelektronik Uddannelse Energi- og elindustri Informationsteknologi Medicinsk militær og nationalt forsvar