uutiset

Kondensaattorit ovat yksi piirilevyjen yleisimmin käytetyistä komponenteista. Kun elektronisten laitteiden määrä (matkapuhelimista autoihin) kasvaa jatkuvasti, myös kondensaattoreiden kysyntä kasvaa. Covid 19 -pandemia on katkaissut maailmanlaajuisen komponenttien toimitusketjun puolijohteista passiivisiin komponentteihin, ja kondensaattoreista on ollut pulaa1.
Keskustelut kondensaattoreista voidaan helposti muuttaa kirjaksi tai sanakirjaksi. Ensinnäkin on olemassa erilaisia ​​kondensaattoreita, kuten elektrolyyttikondensaattorit, kalvokondensaattorit, keraamiset kondensaattorit ja niin edelleen. Sitten samassa tyypissä on erilaisia ​​dielektrisiä materiaaleja. On myös erilaisia ​​luokkia. Fyysisen rakenteen osalta on olemassa kaksi- ja kolminapaisia ​​kondensaattoreita. On myös X2Y-tyyppinen kondensaattori, joka on olennaisesti Y-kondensaattoripari, jotka on kapseloitu yhteen. Entä superkondensaattorit? Tosiasia on, että jos istut alas ja alat lukea suurten valmistajien kondensaattorivalintaoppaita, voit viettää päivän helposti!
Koska tämä artikkeli käsittelee perusasioita, käytän toista menetelmää tavalliseen tapaan. Kuten aiemmin mainittiin, kondensaattorien valintaoppaat löytyvät helposti toimittajien verkkosivuilta 3 ja 4, ja kenttäinsinöörit voivat yleensä vastata useimpiin kondensaattoreita koskeviin kysymyksiin. Tässä artikkelissa en toista sitä, mitä voit löytää Internetistä, vaan osoitan, kuinka kondensaattoreita valitaan ja käytetään käytännön esimerkein. Myös joitain vähemmän tunnettuja kondensaattorien valinnan näkökohtia, kuten kapasitanssin heikkeneminen, käsitellään. Tämän artikkelin lukemisen jälkeen sinulla pitäisi olla hyvä käsitys kondensaattoreiden käytöstä.
Vuosia sitten, kun työskentelin elektroniikkalaitteita valmistavassa yrityksessä, meillä oli haastattelukysymys tehoelektroniikkainsinöörille. Olemassa olevan tuotteen kaaviossa kysymme mahdollisilta ehdokkailta "Mikä on DC-välipiirin elektrolyyttikondensaattorin tehtävä?" ja "Mikä on sirun vieressä olevan keraamisen kondensaattorin tehtävä?" Toivomme, että oikea vastaus on DC-väylän kondensaattori Energian varastointiin käytetään keraamisia kondensaattoreita suodatukseen.
Etsimämme "oikea" vastaus osoittaa, että jokainen suunnittelutiimin jäsen tarkastelee kondensaattoreita yksinkertaisesta piirin näkökulmasta, ei kenttäteorian näkökulmasta. Piiriteorian näkökulma ei ole väärä. Matalilla taajuuksilla (muutamasta kHz:stä muutamaan MHz:iin) piiriteoria voi yleensä selittää ongelman hyvin. Tämä johtuu siitä, että alemmilla taajuuksilla signaali on pääasiassa differentiaalitilassa. Piiriteoriaa käyttäen voidaan nähdä kuvassa 1 esitetty kondensaattori, jossa vastaava sarjaresistanssi (ESR) ja ekvivalenttisarjainduktanssi (ESL) saavat kondensaattorin impedanssin muuttumaan taajuuden mukaan.
Tämä malli selittää täysin piirin suorituskyvyn, kun piiri kytketään hitaasti. Kuitenkin taajuuden kasvaessa asiat muuttuvat yhä monimutkaisemmiksi. Jossain vaiheessa komponentti alkaa näyttää epälineaarisuutta. Kun taajuus kasvaa, yksinkertaisella LCR-mallilla on rajoituksensa.
Tänään, jos minulta kysyttäisiin sama haastattelukysymys, käyttäisin kenttäteorian havaintolasejani ja sanoisin, että molemmat kondensaattorityypit ovat energian varastointilaitteita. Erona on, että elektrolyyttikondensaattorit voivat varastoida enemmän energiaa kuin keraamiset kondensaattorit. Mutta energiansiirron kannalta keraamiset kondensaattorit voivat siirtää energiaa nopeammin. Tämä selittää, miksi keraamiset kondensaattorit on asetettava sirun viereen, koska sirulla on suurempi kytkentätaajuus ja kytkentänopeus verrattuna päävirtapiiriin.
Tästä näkökulmasta voimme yksinkertaisesti määrittää kaksi suorituskykystandardia kondensaattoreille. Toinen on se, kuinka paljon energiaa kondensaattori voi varastoida, ja toinen on kuinka nopeasti tämä energia voidaan siirtää. Molemmat riippuvat kondensaattorin valmistusmenetelmästä, dielektrisestä materiaalista, kytkennästä kondensaattoriin ja niin edelleen.
Kun piirin kytkin on kiinni (katso kuva 2), se osoittaa, että kuorma tarvitsee energiaa virtalähteestä. Nopeus, jolla tämä kytkin sulkeutuu, määrittää energiantarpeen kiireellisyyden. Koska energia kulkee valon nopeudella (puolet valon nopeudesta FR4-materiaaleissa), energian siirtyminen vie aikaa. Lisäksi lähteen ja siirtojohdon ja kuorman välillä on impedanssiero. Tämä tarkoittaa, että energiaa ei koskaan siirretä yhdellä matkalla, vaan useilla edestakaisilla matkoilla5, minkä vuoksi kun kytkin vaihdetaan nopeasti, näemme kytkentäaaltomuodossa viiveitä ja soittoa.
Kuva 2: Energian eteneminen avaruudessa vie aikaa; impedanssin epäsopivuus aiheuttaa useita energiansiirron edestakaisin matkoja.
Se, että energian toimittaminen vie aikaa ja useita meno-paluumatkoja, kertoo meille, että meidän on siirrettävä energia mahdollisimman lähelle kuormaa, ja meidän on löydettävä tapa toimittaa se nopeasti. Ensimmäinen saavutetaan yleensä vähentämällä fyysistä etäisyyttä kuorman, kytkimen ja kondensaattorin välillä. Jälkimmäinen saavutetaan keräämällä ryhmä kondensaattoreita, joilla on pienin impedanssi.
Kenttäteoria selittää myös, mikä aiheuttaa yhteistilan kohinaa. Lyhyesti sanottuna yhteismoodista kohinaa syntyy, kun kuorman energiatarvetta ei täytetä kytkennän aikana. Siksi kuorman ja lähellä olevien johtimien väliseen tilaan varastoitunut energia tarjotaan tukemaan askelten tarvetta. Kuorman ja lähellä olevien johtimien välistä tilaa kutsumme lois-/keskinämäiseksi kapasitanssiksi (katso kuva 2).
Käytämme seuraavia esimerkkejä osoittaaksemme, kuinka käytetään elektrolyyttikondensaattoreita, monikerroksisia keraamisia kondensaattoreita (MLCC) ja kalvokondensaattoreita. Sekä piiri- että kenttäteoriaa käytetään selittämään valittujen kondensaattorien suorituskykyä.
Elektrolyyttikondensaattoreita käytetään pääasiassa tasavirtapiirissä pääenergianlähteenä. Elektrolyyttikondensaattorin valinta riippuu usein:
EMC-suorituskyvyn kannalta tärkeimmät kondensaattorien ominaisuudet ovat impedanssi ja taajuusominaisuudet. Matalataajuiset päästöt riippuvat aina DC-välipiirin kondensaattorin suorituskyvystä.
Tasavirtapiirin impedanssi ei riipu vain kondensaattorin ESR:stä ja ESL:stä, vaan myös lämpösilmukan pinta-alasta, kuten kuvassa 3. Suurempi lämpösilmukan pinta-ala tarkoittaa, että energian siirto kestää kauemmin, joten suorituskyky vaikuttaa.
Tämän todistamiseksi rakennettiin alennettu DC-DC-muunnin. Kuvassa 4 esitetty vaatimustenmukaisuuden edeltävä EMC-testiasetus suorittaa suoritetun emissioskannauksen taajuudella 150 kHz - 108 MHz.
On tärkeää varmistaa, että tässä tapaustutkimuksessa käytetyt kondensaattorit ovat kaikki samalta valmistajalta, jotta vältetään erot impedanssiominaisuuksissa. Kun juotat kondensaattoria piirilevylle, varmista, että siinä ei ole pitkiä johtimia, koska tämä lisää kondensaattorin ESL:ää. Kuva 5 esittää kolme kokoonpanoa.
Näiden kolmen konfiguraation johdetut emissiotulokset on esitetty kuvassa 6. Voidaan nähdä, että verrattuna yhteen 680 µF:n kondensaattoriin, kaksi 330 µF:n kondensaattoria saavuttavat 6 dB:n kohinanvaimennussuorituskyvyn laajemmalla taajuusalueella.
Piiriteorian perusteella voidaan sanoa, että kytkemällä kaksi kondensaattoria rinnan, sekä ESL että ESR puolitetaan. Kenttäteorian näkökulmasta energian lähdettä ei ole vain yksi, vaan samaan kuormaan syötetään kaksi energianlähdettä, mikä vähentää tehokkaasti energian kokonaissiirtoaikaa. Kuitenkin korkeammilla taajuuksilla kahden 330 µF kondensaattorin ja yhden 680 µF kondensaattorin välinen ero pienenee. Tämä johtuu siitä, että korkeataajuinen kohina osoittaa riittämättömän askelenergiavasteen. Siirrettäessä 330 µF:n kondensaattoria lähemmäs kytkintä vähennämme energiansiirtoaikaa, mikä lisää tehokkaasti kondensaattorin askelvastetta.
Tulos kertoo meille erittäin tärkeän opetuksen. Yhden kondensaattorin kapasitanssin lisääminen ei yleensä tue lisäenergian tarvetta. Jos mahdollista, käytä pienempiä kapasitiivisia komponentteja. Tähän on monia hyviä syitä. Ensimmäinen on hinta. Yleisesti ottaen samalla pakkauskoolla kondensaattorin hinta nousee eksponentiaalisesti kapasitanssin arvon myötä. Yhden kondensaattorin käyttö voi olla kalliimpaa kuin useiden pienempien kondensaattorien käyttö. Toinen syy on koko. Tuotesuunnittelussa rajoittava tekijä on yleensä komponenttien korkeus. Suurikapasiteettisissa kondensaattoreissa korkeus on usein liian suuri, mikä ei sovellu tuotesuunnitteluun. Kolmas syy on tapaustutkimuksessa havaitsemamme EMC-suorituskyky.
Toinen huomioitava tekijä elektrolyyttikondensaattoria käytettäessä on, että kun kytket kaksi kondensaattoria sarjaan jännitteen jakamiseksi, tarvitset tasapainotusvastuksen 6.
Kuten aiemmin mainittiin, keraamiset kondensaattorit ovat miniatyyrilaitteita, jotka voivat tuottaa nopeasti energiaa. Minulta kysytään usein "Kuinka paljon kondensaattoria tarvitsen?" Vastaus tähän kysymykseen on, että keraamisten kondensaattoreiden kapasitanssiarvon ei pitäisi olla niin tärkeä. Tärkeintä tässä on määrittää, millä taajuudella energiansiirtonopeus on riittävä sovelluksellesi. Jos johdettu emissio epäonnistuu 100 MHz:llä, kondensaattori, jonka impedanssi on pienin 100 MHz:llä, on hyvä valinta.
Tämä on toinen väärinkäsitys MLCC:stä. Olen nähnyt insinöörien käyttävän paljon energiaa valitessaan keraamisia kondensaattoreita, joilla on alhaisin ESR ja ESL, ennen kuin ne kytkevät kondensaattorit RF-viitepisteeseen pitkien jälkien kautta. On syytä mainita, että MLCC:n ESL on yleensä paljon pienempi kuin kortin kytkentäinduktanssi. Kytkentäinduktanssi on edelleen tärkein keraamisten kondensaattorien suurtaajuusimpedanssiin vaikuttava parametri7.
Kuvassa 7 on huono esimerkki. Pitkät jäljet ​​(0,5 tuumaa pitkät) tuovat vähintään 10nH induktanssin. Simulaatiotulos osoittaa, että kondensaattorin impedanssi tulee paljon odotettua korkeammaksi taajuuspisteessä (50 MHz).
Yksi MLCC:iden ongelmista on, että niillä on taipumus resonoida levyn induktiivisen rakenteen kanssa. Tämä näkyy kuviossa 8 esitetyssä esimerkissä, jossa 10 µF MLCC:n käyttö tuo resonanssin noin 300 kHz:llä.
Voit vähentää resonanssia valitsemalla komponentin, jolla on suurempi ESR, tai yksinkertaisesti laittamalla pieniarvoinen vastus (kuten 1 ohm) sarjaan kondensaattorin kanssa. Tämän tyyppinen menetelmä käyttää häviöllisiä komponentteja järjestelmän tukahduttamiseen. Toinen tapa on käyttää toista kapasitanssiarvoa resonanssin siirtämiseksi alempaan tai korkeampaan resonanssipisteeseen.
Kalvokondensaattoreita käytetään monissa sovelluksissa. Ne ovat valittuja kondensaattoreita suuritehoisille DC-DC-muuntimille, ja niitä käytetään EMI-vaimennussuodattimina voimalinjoissa (AC ja DC) ja yhteismoodin suodatuskokoonpanoissa. Otamme esimerkkinä X-kondensaattorin havainnollistamaan joitain kalvokondensaattorien käytön pääkohtia.
Jos ylijännitetapahtuma tapahtuu, se auttaa rajoittamaan linjan huippujännitteen rasitusta, joten sitä käytetään yleensä transienttijännitteen vaimentimen (TVS) tai metallioksidivaristorin (MOV) kanssa.
Saatat jo tietää tämän kaiken, mutta tiesitkö, että X-kondensaattorin kapasitanssiarvoa voidaan pienentää merkittävästi vuosien käytön myötä? Tämä pätee erityisesti, jos kondensaattoria käytetään kosteassa ympäristössä. Olen nähnyt X-kondensaattorin kapasitanssin putoavan vain muutamaan prosenttiin sen nimellisarvosta vuoden tai kahdessa, joten alun perin X-kondensaattorilla suunniteltu järjestelmä itse asiassa menetti kaiken suojan, joka etupään kondensaattorilla voi olla.
Mitä tapahtui? Kosteaa ilmaa voi vuotaa kondensaattoriin, johtoa pitkin ja laatikon ja epoksimassan väliin. Alumiinin metallointi voidaan sitten hapettaa. Alumiinioksidi on hyvä sähköeriste, mikä vähentää kapasitanssia. Tämä on ongelma, jonka kaikki filmikondensaattorit kohtaavat. Ongelma, josta puhun, on kalvon paksuus. Hyvämaineiset kondensaattorimerkit käyttävät paksumpia kalvoja, mikä johtaa suurempiin kondensaattoreihin kuin muut merkit. Ohuempi kalvo tekee kondensaattorista vähemmän kestävän ylikuormitukselle (jännite, virta tai lämpötila), ja se ei todennäköisesti parane itsestään.
Jos X-kondensaattoria ei ole kytketty pysyvästi virtalähteeseen, sinun ei tarvitse huolehtia. Esimerkiksi tuotteessa, jossa on kova kytkin virtalähteen ja kondensaattorin välillä, koko voi olla elinikää tärkeämpi, ja sitten voit valita ohuemman kondensaattorin.
Jos kondensaattori on kuitenkin jatkuvasti kytkettynä virtalähteeseen, sen on oltava erittäin luotettava. Kondensaattorien hapettuminen ei ole väistämätöntä. Jos kondensaattorin epoksimateriaali on hyvälaatuista ja kondensaattori ei altistu usein äärilämpötiloille, arvon pudotuksen tulee olla minimaalinen.
Tässä artikkelissa esiteltiin ensin kondensaattoreiden kenttäteorianäkymä. Käytännön esimerkit ja simulaatiotulokset osoittavat kuinka valita ja käyttää yleisimmät kondensaattorityypit. Toivottavasti nämä tiedot auttavat sinua ymmärtämään kondensaattorien roolia elektroniikka- ja EMC-suunnittelussa kattavammin.
Tri Min Zhang on Mach One Design Ltd:n perustaja ja johtava EMC-konsultti. Mach One Design Ltd on brittiläinen suunnitteluyritys, joka on erikoistunut EMC-konsultointiin, vianetsintään ja koulutukseen. Hänen syvällinen tietonsa tehoelektroniikasta, digitaalielektroniikasta, moottoreista ja tuotesuunnittelusta on hyödyttänyt yrityksiä ympäri maailmaa.
In Compliance on sähkö- ja elektroniikkatekniikan ammattilaisten tärkein uutisten, tiedon, koulutuksen ja inspiraation lähde.
Ilmailu- ja autoteollisuus Viestintä Kulutuselektroniikka Koulutus Energia ja sähköteollisuus Tietotekniikka Lääketieteellinen armeija ja maanpuolustus