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 wereldwijde toeleveringsketen van componenten van halfgeleiders verstoord tot passieve componenten, en condensatoren zijn schaars1.
Discussies over het onderwerp condensatoren kunnen gemakkelijk in een boek of woordenboek worden omgezet. Ten eerste zijn er verschillende soorten condensatoren, zoals elektrolytische condensatoren, filmcondensatoren, keramische condensatoren enzovoort. Vervolgens zijn er in hetzelfde type verschillende diëlektrische materialen. Er zijn ook verschillende klassen. Wat de fysieke structuur betreft, zijn er typen condensatoren met twee en drie aansluitingen. Er is ook een condensator van het X2Y-type, die in wezen een paar Y-condensatoren is, ingekapseld in één. Hoe zit het met supercondensatoren 'Het is een feit dat als u gaat zitten en de condensatorkeuzegidsen van grote fabrikanten gaat 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 gemakkelijk te vinden op leverancierswebsites 3 en 4, en kunnen veldingenieurs meestal de meeste vragen over condensatoren beantwoorden. In dit artikel Ik zal niet herhalen wat je op internet kunt vinden, maar zal aan de hand van praktische voorbeelden demonstreren hoe je condensatoren kiest en gebruikt. Enkele minder bekende aspecten van condensatorselectie, zoals capaciteitsdegradatie, zullen ook worden behandeld. Na het lezen van dit artikel zul je moet een goed begrip 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 DC-link-elektrolytische condensator?" 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 (vanaf een paar kHz tot een paar MHz), kan de circuittheorie het probleem meestal goed verklaren. Dit komt omdat bij lagere frequenties het signaal zich voornamelijk in de differentiële modus bevindt. Met behulp van de circuittheorie kunnen we de condensator zien die wordt weergegeven in figuur 1, waar de equivalente serieweerstand ( ESR) en equivalente serie-inductie (ESL) zorgen ervoor 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 toeneemt, worden de zaken echter steeds ingewikkelder. Op een gegeven moment begint de component niet-lineariteit te vertonen. Wanneer de frequentie toeneemt, wordt het eenvoudige LCR-model heeft zijn beperkingen.
Als mij vandaag dezelfde interviewvraag zou worden gesteld, zou ik mijn observatiebril voor de veldtheorie 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 Keramische condensatoren kunnen energie sneller doorgeven. 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 productiemethode 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 nodig heeft van de stroombron. De snelheid waarmee deze schakelaar sluit bepaalt de urgentie van de energievraag. Omdat energie zich voortplant met de snelheid van het licht (de helft van (de snelheid van het licht in FR4-materialen), kost het tijd om energie over te dragen. Bovendien is er een impedantie-mismatch tussen de bron, de transmissielijn en de belasting. Dit betekent dat energie nooit in één keer wordt overgedragen, maar in meerdere round trips5, wat de reden is dat wanneer de schakelaar snel schakelt, we vertragingen en rinkelen 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 energieoverdracht tijd en meerdere retourvluchten kost, vertelt ons dat we de energiebron zo dicht mogelijk bij de belasting moeten plaatsen, en dat we een manier moeten vinden om energie snel over te dragen. De eerste wordt meestal bereikt door de fysieke belasting te verminderen. afstand tussen de belasting, schakelaar en condensator. Dit laatste wordt bereikt door een groep condensatoren met de kleinste impedantie te verzamelen.
De veldtheorie legt ook uit wat common-mode-ruis veroorzaakt. Kortom, common-mode-ruis wordt 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 ter ondersteuning de stapvraag. 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 uit te leggen.
Elektrolytische condensatoren worden voornamelijk in de DC-tussenkring gebruikt als 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 uitgevoerde 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 printplaat voor dat er geen lange kabels zijn, omdat dit de ESL van de condensator. Figuur 5 toont de drie configuraties.
De geleide-emissieresultaten van deze drie configuraties worden weergegeven in figuur 6. U kunt zien 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 verminderd. Bij hogere frequenties zal het verschil tussen twee condensatoren van 330 µF en één condensator van 680 µF kleiner worden. Dit komt omdat hoogfrequente ruis duidt op onvoldoende stapenergierespons. Wanneer u een condensator van 330 µF dichter bij Door de schakelaar te gebruiken, verminderen 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 over 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. voor dezelfde verpakkingsgrootte nemen 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. Bij condensatoren met een grote capaciteit is de hoogte vaak te groot voor het 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 hoeft te 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 over 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 verbinden met het RF-referentiepunt. Het is de moeite waard te vermelden dat de ESL van MLCC meestal veel is lager 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 veel hoger wordt dan verwacht op het frequentiepunt (50 MHz).
Een van de problemen met MLCC's is dat ze de neiging hebben 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 componenten met verlies om het systeem te onderdrukken. Een andere methode is het gebruik van een andere capaciteit waarde om de resonantie naar een lager of hoger resonantiepunt te verplaatsen.
Filmcondensatoren worden in veel toepassingen gebruikt. Ze zijn de voorkeurscondensatoren 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 een 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 aanzienlijk kan worden verminderd na jarenlang gebruik? Dit geldt vooral als de condensator in een vochtige omgeving wordt gebruikt. Ik heb de capaciteitswaarde van de X-condensator daalt binnen een jaar of twee slechts tot een paar procent van zijn nominale waarde, 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 metallisatie van aluminium kan vervolgens worden geoxideerd. Aluminiumoxide is een goede elektrische isolator, waardoor de capaciteit wordt verminderd. Dit is een probleem dat alle filmcondensatoren zullen 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 het 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 de grootte bijvoorbeeld 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 epoxy-materiaal van de condensator van goede kwaliteit is en de condensator niet vaak wordt blootgesteld aan extreme temperaturen, zal de daling van de capaciteit waarde moet minimaal zijn.
In dit artikel werd voor het eerst de veldtheorie van condensatoren geïntroduceerd. Praktische voorbeelden en simulatieresultaten laten zien hoe je de meest voorkomende condensatortypen kunt selecteren en gebruiken. Ik hoop dat deze informatie je 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 zijn vruchten afgeworpen bedrijven over de hele wereld.
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