nieuws

Condensatoren zijn een van de meest gebruikte componenten op printplaten. Naarmate het aantal elektronische apparaten (van mobiele telefoons tot auto's) blijft toenemen, neemt ook de vraag naar condensatoren toe. De Covid 19-pandemie heeft de mondiale toeleveringsketen van componenten ontwricht, van halfgeleiders tot passieve componenten, en er is een tekort aan condensatoren1.
Discussies over het onderwerp condensatoren kunnen eenvoudig worden omgezet in een boek of een woordenboek. Ten eerste zijn er verschillende soorten condensatoren, zoals elektrolytische condensatoren, filmcondensatoren, keramische condensatoren enzovoort. Dan zijn er in hetzelfde type verschillende diëlektrische materialen. Er zijn ook verschillende klassen. Wat de fysieke structuur betreft, zijn er condensatortypen met twee en drie aansluitingen. Er is ook een condensator van het X2Y-type, die in wezen bestaat uit een paar Y-condensatoren die in één zijn ingekapseld. Hoe zit het met supercondensatoren? Het is een feit dat als u gaat zitten en condensatorselectiegidsen van grote fabrikanten begint te lezen, u gemakkelijk de dag kunt doorbrengen!
Omdat dit artikel over de basis gaat, zal ik zoals gewoonlijk een andere methode gebruiken. Zoals eerder vermeld, zijn selectiegidsen voor condensatoren eenvoudig te vinden op de websites van leveranciers 3 en 4, en kunnen veldingenieurs meestal de meeste vragen over condensatoren beantwoorden. In dit artikel zal ik niet herhalen wat je op internet kunt vinden, maar zal ik aan de hand van praktische voorbeelden laten zien hoe je condensatoren kiest en gebruikt. Enkele minder bekende aspecten van condensatorselectie, zoals capaciteitsverslechtering, zullen ook worden behandeld. Na het lezen van dit artikel zou u een goed begrip moeten hebben van het gebruik van condensatoren.
Jaren geleden, toen ik bij een bedrijf werkte dat elektronische apparatuur maakte, hadden we een sollicitatievraag voor een ingenieur vermogenselektronica. Op het schematische diagram van het bestaande product zullen we potentiële kandidaten vragen: "Wat is de functie van de elektrolytische condensator van de DC-tussenkring?" en “Wat is de functie van de keramische condensator naast de chip?” We hopen dat het juiste antwoord de DC-buscondensator is. Keramische condensatoren worden gebruikt voor energieopslag en worden gebruikt voor filtering.
Het “juiste” antwoord dat we zoeken laat feitelijk zien dat iedereen in het ontwerpteam naar condensatoren kijkt vanuit een eenvoudig circuitperspectief, en niet vanuit een veldtheorieperspectief. Het standpunt van de circuittheorie is niet verkeerd. Bij lage frequenties (van enkele kHz tot enkele MHz) kan de circuittheorie het probleem meestal goed verklaren. Dit komt omdat bij lagere frequenties het signaal zich hoofdzakelijk in de differentiële modus bevindt. Met behulp van de circuittheorie kunnen we de condensator zien die wordt weergegeven in figuur 1, waarbij de equivalente serieweerstand (ESR) en equivalente serie-inductantie (ESL) ervoor zorgen dat de impedantie van de condensator verandert met de frequentie.
Dit model verklaart volledig de circuitprestaties wanneer het circuit langzaam wordt geschakeld. Naarmate de frequentie echter toeneemt, worden de zaken steeds ingewikkelder. Op een gegeven moment begint de component niet-lineariteit te vertonen. Wanneer de frequentie toeneemt, heeft het eenvoudige LCR-model zijn beperkingen.
Als mij vandaag dezelfde interviewvraag zou worden gesteld, zou ik mijn veldtheorie-observatiebril opzetten en zeggen dat beide typen condensatoren energieopslagapparaten zijn. Het verschil is dat elektrolytische condensatoren meer energie kunnen opslaan dan keramische condensatoren. Maar in termen van energietransmissie kunnen keramische condensatoren energie sneller overbrengen. Dit verklaart waarom keramische condensatoren naast de chip geplaatst moeten worden, omdat de chip een hogere schakelfrequentie en schakelsnelheid heeft vergeleken met het hoofdstroomcircuit.
Vanuit dit perspectief kunnen we eenvoudigweg twee prestatienormen voor condensatoren definiëren. De ene is hoeveel energie de condensator kan opslaan, en de andere is hoe snel deze energie kan worden overgedragen. Beide zijn afhankelijk van de fabricagemethode van de condensator, het diëlektrische materiaal, de verbinding met de condensator, enzovoort.
Wanneer de schakelaar in het circuit gesloten is (zie figuur 2), geeft dit aan dat de belasting energie van de stroombron nodig heeft. De snelheid waarmee deze schakelaar sluit, bepaalt de urgentie van de energievraag. Omdat energie zich met de snelheid van het licht voortbeweegt (de helft van de lichtsnelheid in FR4-materialen), kost het tijd om energie over te dragen. Bovendien is er een impedantie-mismatch tussen de bron en de transmissielijn en de belasting. Dit betekent dat energie nooit in één rit wordt overgedragen, maar in meerdere retourvluchten5. Daarom zullen we, wanneer de schakelaar snel wordt geschakeld, vertragingen en belsignalen in de schakelgolfvorm zien.
Figuur 2: Het kost tijd voordat energie zich in de ruimte verspreidt; impedantie-mismatch veroorzaakt meerdere retourvluchten van energieoverdracht.
Het feit dat de levering van energie tijd en meerdere retourvluchten kost, vertelt ons dat we de energie zo dicht mogelijk bij de lading moeten brengen, en dat we een manier moeten vinden om deze snel te leveren. De eerste wordt meestal bereikt door de fysieke afstand tussen de belasting, schakelaar en condensator te verkleinen. Dit laatste wordt bereikt door een groep condensatoren met de kleinste impedantie te verzamelen.
Veldtheorie legt ook uit wat common-mode-ruis veroorzaakt. Kortom, er wordt common-mode-ruis gegenereerd wanneer tijdens het schakelen niet aan de energievraag van de belasting wordt voldaan. Daarom zal de energie die is opgeslagen in de ruimte tussen de belasting en nabijgelegen geleiders worden geleverd om de stapvraag te ondersteunen. De ruimte tussen de belasting en nabijgelegen geleiders is wat we parasitaire/wederzijdse capaciteit noemen (zie figuur 2).
We gebruiken de volgende voorbeelden om te demonstreren hoe u elektrolytische condensatoren, meerlaagse keramische condensatoren (MLCC) en filmcondensatoren kunt gebruiken. Zowel circuit- als veldtheorie worden gebruikt om de prestaties van geselecteerde condensatoren te verklaren.
Elektrolytische condensatoren worden voornamelijk in de DC-tussenkring gebruikt als de belangrijkste energiebron. De keuze voor een elektrolytische condensator hangt vaak af van:
Voor EMC-prestaties zijn de belangrijkste kenmerken van condensatoren impedantie- en frequentiekarakteristieken. Laagfrequente geleide emissies zijn altijd afhankelijk van de prestaties van de DC-tussenkringcondensator.
De impedantie van de DC-tussenkring hangt niet alleen af ​​van de ESR en ESL van de condensator, maar ook van het oppervlak van de thermische lus, zoals weergegeven in figuur 3. Een groter thermisch lusoppervlak betekent dat de energieoverdracht langer duurt, dus de prestaties zal worden beïnvloed.
Om dit te bewijzen werd een step-down DC-DC-converter gebouwd. De pre-compliance EMC-testopstelling, weergegeven in Figuur 4, voert een geleide emissiescan uit tussen 150 kHz en 108 MHz.
Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de condensatoren die in deze casestudy worden gebruikt allemaal van dezelfde fabrikant zijn om verschillen in impedantiekarakteristieken te voorkomen. Zorg er bij het solderen van de condensator op de print voor dat er geen lange draden aanwezig zijn, aangezien hierdoor de ESL van de condensator toeneemt. Figuur 5 toont de drie configuraties.
De geleide-emissieresultaten van deze drie configuraties worden weergegeven in figuur 6. Hieruit blijkt dat, vergeleken met een enkele condensator van 680 µF, de twee condensatoren van 330 µF een ruisonderdrukkingsprestatie van 6 dB bereiken over een breder frequentiebereik.
Vanuit de circuittheorie kan worden gezegd dat door twee condensatoren parallel aan te sluiten, zowel ESL als ESR worden gehalveerd. Vanuit het oogpunt van de veldtheorie is er niet slechts één energiebron, maar worden er twee energiebronnen aan dezelfde belasting geleverd, waardoor de totale energietransmissietijd effectief wordt verkort. Bij hogere frequenties zal het verschil tussen twee condensatoren van 330 µF en één condensator van 680 µF echter kleiner worden. Dit komt omdat hoogfrequente ruis duidt op een onvoldoende stapenergierespons. Wanneer we een condensator van 330 µF dichter bij de schakelaar plaatsen, verkorten we de energieoverdrachtstijd, waardoor de staprespons van de condensator effectief toeneemt.
Het resultaat vertelt ons een heel belangrijke les. Het vergroten van de capaciteit van een enkele condensator zal in het algemeen de stapsgewijze vraag naar meer energie niet ondersteunen. Gebruik indien mogelijk enkele kleinere capacitieve componenten. Daar zijn veel goede redenen voor. De eerste zijn de kosten. Over het algemeen nemen bij dezelfde verpakkingsgrootte de kosten van een condensator exponentieel toe met de capaciteitswaarde. Het gebruik van een enkele condensator kan duurder zijn dan het gebruik van meerdere kleinere condensatoren. De tweede reden is de grootte. De beperkende factor bij het productontwerp is meestal de hoogte van de componenten. Voor condensatoren met een grote capaciteit is de hoogte vaak te groot, wat niet geschikt is voor productontwerp. De derde reden zijn de EMC-prestaties die we in de casestudy hebben gezien.
Een andere factor waarmee u rekening moet houden bij het gebruik van een elektrolytische condensator is dat wanneer u twee condensatoren in serie aansluit om de spanning te delen, u een balanceerweerstand 6 nodig heeft.
Zoals eerder vermeld zijn keramische condensatoren miniatuurapparaatjes die snel energie kunnen leveren. Vaak wordt mij de vraag gesteld: “Hoeveel condensator heb ik nodig?” Het antwoord op deze vraag is dat voor keramische condensatoren de capaciteitswaarde niet zo belangrijk zou moeten zijn. De belangrijke overweging hierbij is om te bepalen bij welke frequentie de energieoverdrachtssnelheid voldoende is voor uw toepassing. Als de geleide emissie mislukt bij 100 MHz, dan is de condensator met de kleinste impedantie bij 100 MHz een goede keuze.
Dit is weer een misverstand van MLCC. Ik heb gezien dat ingenieurs veel energie besteden aan het kiezen van keramische condensatoren met de laagste ESR en ESL voordat ze de condensatoren via lange sporen op het RF-referentiepunt aansluiten. Het is vermeldenswaard dat de ESL van MLCC meestal veel lager is dan de verbindingsinductie op het bord. Verbindingsinductie is nog steeds de belangrijkste parameter die de hoogfrequente impedantie van keramische condensatoren beïnvloedt7.
Figuur 7 toont een slecht voorbeeld. Lange sporen (0,5 inch lang) introduceren een inductie van ten minste 10 nH. Het simulatieresultaat laat zien dat de impedantie van de condensator op het frequentiepunt (50 MHz) veel hoger wordt dan verwacht.
Een van de problemen met MLCC's is dat ze de neiging hebben om te resoneren met de inductieve structuur op het bord. Dit is te zien in het voorbeeld in Figuur 8, waar het gebruik van een MLCC van 10 µF resonantie introduceert bij ongeveer 300 kHz.
U kunt de resonantie verminderen door een component met een grotere ESR te kiezen of eenvoudigweg een weerstand met een kleine waarde (zoals 1 ohm) in serie te zetten met een condensator. Dit type methode maakt gebruik van verliesgevende componenten om het systeem te onderdrukken. Een andere methode is om een ​​andere capaciteitswaarde te gebruiken om de resonantie naar een lager of hoger resonantiepunt te verplaatsen.
Filmcondensatoren worden in veel toepassingen gebruikt. Ze zijn de favoriete condensatoren voor DC-DC-converters met hoog vermogen en worden gebruikt als EMI-onderdrukkingsfilters over stroomleidingen (AC en DC) en common-mode filterconfiguraties. We nemen een X-condensator als voorbeeld om enkele van de belangrijkste punten van het gebruik van filmcondensatoren te illustreren.
Als zich een piekgebeurtenis voordoet, helpt dit de piekspanningsspanning op de lijn te beperken. Daarom wordt deze meestal gebruikt met een transiënte spanningsonderdrukker (TVS) of metaaloxidevaristor (MOV).
Misschien wist u dit allemaal al, maar wist u dat de capaciteitswaarde van een X-condensator bij jarenlang gebruik aanzienlijk kan worden verminderd? Dit geldt vooral als de condensator in een vochtige omgeving wordt gebruikt. Ik heb gezien dat de capaciteitswaarde van de X-condensator binnen een jaar of twee slechts een paar procent van de nominale waarde daalde, dus het systeem dat oorspronkelijk met de X-condensator was ontworpen, verloor feitelijk alle bescherming die de front-end-condensator zou kunnen hebben.
Wat is er gebeurd? Vochtige lucht kan in de condensator lekken, langs de draad en tussen de doos en de epoxy-ingietmassa. De aluminiummetallisatie kan vervolgens worden geoxideerd. Aluminiumoxide is een goede elektrische isolator, waardoor de capaciteit wordt verminderd. Dit is een probleem dat alle filmcondensatoren tegenkomen. Het probleem waar ik het over heb is de filmdikte. Gerenommeerde condensatormerken gebruiken dikkere films, wat resulteert in grotere condensatoren dan andere merken. De dunnere film maakt de condensator minder robuust tegen overbelasting (spanning, stroom of temperatuur) en het is onwaarschijnlijk dat deze zichzelf zal genezen.
Als de X-condensator niet permanent op de voeding is aangesloten, hoeft u zich geen zorgen te maken. Voor een product met een harde schakelaar tussen de voeding en de condensator kan bijvoorbeeld de grootte belangrijker zijn dan de levensduur, en dan kun je een dunnere condensator kiezen.
Als de condensator echter permanent op de stroombron is aangesloten, moet deze zeer betrouwbaar zijn. De oxidatie van condensatoren is niet onvermijdelijk. Als het epoxymateriaal van de condensator van goede kwaliteit is en de condensator niet vaak wordt blootgesteld aan extreme temperaturen, zou de waardedaling minimaal moeten zijn.
In dit artikel werd voor het eerst de veldtheorie van condensatoren geïntroduceerd. Praktische voorbeelden en simulatieresultaten laten zien hoe u de meest voorkomende condensatortypen kunt selecteren en gebruiken. Ik hoop dat deze informatie u kan helpen de rol van condensatoren in elektronisch en EMC-ontwerp beter te begrijpen.
Dr. Min Zhang is de oprichter en hoofd EMC-consultant van Mach One Design Ltd, een in Groot-Brittannië gevestigd ingenieursbedrijf dat gespecialiseerd is in EMC-advies, probleemoplossing en training. Zijn diepgaande kennis op het gebied van vermogenselektronica, digitale elektronica, motoren en productontwerp heeft bedrijven over de hele wereld geprofiteerd.
In Compliance is de belangrijkste bron van nieuws, informatie, educatie en inspiratie voor professionals op het gebied van elektrotechniek en elektronica.
Lucht- en ruimtevaart Automobiel Communicatie Consumentenelektronica Onderwijs Energie en energie-industrie Informatietechnologie Medisch Leger en Nationale Defensie