nyheter

Kondensatorer är en av de mest använda komponenterna på kretskort. I takt med att antalet elektroniska enheter (från mobiltelefoner till bilar) fortsätter att öka, ökar också efterfrågan på kondensatorer. Covid 19-pandemin har stört den globala komponentförsörjningskedjan från halvledare till passiva komponenter, och kondensatorer har varit en bristvara1.
Diskussioner om ämnet kondensatorer kan lätt förvandlas till en bok eller en ordbok. För det första finns det olika typer av kondensatorer, såsom elektrolytkondensatorer, filmkondensatorer, keramiska kondensatorer och så vidare. Sedan, i samma typ, finns det olika dielektriska material. Det finns också olika klasser. När det gäller den fysiska strukturen finns det kondensatortyper med två terminaler och tre terminaler. Det finns också en kondensator av typen X2Y, som i huvudsak är ett par Y-kondensatorer inkapslade i en. Hur är det med superkondensatorer? Faktum är att om du sätter dig ner och börjar läsa kondensatorvalsguider från stora tillverkare kan du enkelt spendera dagen!
Eftersom den här artikeln handlar om grunderna kommer jag att använda en annan metod som vanligt. Som tidigare nämnts kan du enkelt hitta guider för val av kondensatorer på leverantörernas webbsidor 3 och 4, och fältingenjörer kan vanligtvis svara på de flesta frågor om kondensatorer. I den här artikeln kommer jag inte att upprepa vad du kan hitta på Internet, men kommer att visa hur man väljer och använder kondensatorer genom praktiska exempel. Vissa mindre kända aspekter av kondensatorval, såsom kapacitansförsämring, kommer också att behandlas. Efter att ha läst den här artikeln bör du ha en god förståelse för användningen av kondensatorer.
För år sedan, när jag arbetade på ett företag som tillverkade elektronisk utrustning, hade vi en intervjufråga till en kraftelektronikingenjör. På det schematiska diagrammet för den befintliga produkten kommer vi att fråga potentiella kandidater "Vad är funktionen för DC-länkens elektrolytiska kondensator?" och "Vilken funktion har den keramiska kondensatorn bredvid chipet?" Vi hoppas att det rätta svaret är DC-busskondensatorn. Används för energilagring, keramiska kondensatorer används för filtrering.
Det "rätta" svaret vi söker visar faktiskt att alla i designteamet tittar på kondensatorer ur ett enkelt kretsperspektiv, inte ur ett fältteoretiskt perspektiv. Kretslärans synvinkel är inte fel. Vid låga frekvenser (från några kHz till några få MHz) kan kretsteori oftast förklara problemet bra. Detta beror på att vid lägre frekvenser är signalen huvudsakligen i differentialläge. Med hjälp av kretsteori kan vi se kondensatorn som visas i figur 1, där ekvivalent serieresistans (ESR) och ekvivalent serieinduktans (ESL) får kondensatorns impedans att ändras med frekvensen.
Denna modell förklarar till fullo kretsens prestanda när kretsen växlas långsamt. Men när frekvensen ökar blir saker och ting mer och mer komplicerade. Vid någon tidpunkt börjar komponenten visa icke-linjäritet. När frekvensen ökar har den enkla LCR-modellen sina begränsningar.
Idag, om jag fick samma intervjufråga, skulle jag bära mina fältteoretiska observationsglasögon och säga att båda kondensatortyperna är energilagringsenheter. Skillnaden är att elektrolytkondensatorer kan lagra mer energi än keramiska kondensatorer. Men när det gäller energiöverföring kan keramiska kondensatorer överföra energi snabbare. Detta förklarar varför keramiska kondensatorer måste placeras bredvid chippet, eftersom chippet har en högre växlingsfrekvens och växlingshastighet jämfört med huvudströmkretsen.
Ur detta perspektiv kan vi helt enkelt definiera två prestandastandarder för kondensatorer. Den ena är hur mycket energi kondensatorn kan lagra, och den andra är hur snabbt denna energi kan överföras. Båda beror på tillverkningsmetoden för kondensatorn, det dielektriska materialet, kopplingen till kondensatorn och så vidare.
När omkopplaren i kretsen är sluten (se figur 2) indikerar det att lasten behöver energi från strömkällan. Den hastighet med vilken denna strömbrytare stänger avgör hur brådskande energibehovet är. Eftersom energi färdas med ljusets hastighet (halva ljusets hastighet i FR4-material), tar det tid att överföra energi. Dessutom finns det en impedansmissanpassning mellan källan och transmissionsledningen och belastningen. Detta innebär att energi aldrig kommer att överföras på en resa, utan i flera tur och returresor5, varför när växeln snabbt växlas, kommer vi att se förseningar och ringningar i växlingsvågformen.
Figur 2: Det tar tid för energi att fortplanta sig i rymden; impedansmissanpassning orsakar flera rundor av energiöverföring.
Det faktum att energileverans tar tid och flera tur och retur säger oss att vi måste flytta energin så nära lasten som möjligt och vi måste hitta ett sätt att leverera den snabbt. Den första uppnås vanligtvis genom att minska det fysiska avståndet mellan lasten, omkopplaren och kondensatorn. Det senare uppnås genom att samla en grupp kondensatorer med den minsta impedansen.
Fältteorin förklarar också vad som orsakar common mode-brus. Kort sagt genereras common mode-brus när belastningens energibehov inte uppfylls under omkoppling. Därför kommer energin som lagras i utrymmet mellan lasten och närliggande ledare att tillhandahållas för att stödja stegbehovet. Utrymmet mellan lasten och närliggande ledare är vad vi kallar parasitisk/ömsesidig kapacitans (se figur 2).
Vi använder följande exempel för att visa hur man använder elektrolytiska kondensatorer, flerskikts keramiska kondensatorer (MLCC) och filmkondensatorer. Både krets- och fältteori används för att förklara prestandan hos utvalda kondensatorer.
Elektrolytiska kondensatorer används huvudsakligen i DC-länken som huvudenergikälla. Valet av elektrolytisk kondensator beror ofta på:
För EMC-prestanda är de viktigaste egenskaperna hos kondensatorer impedans- och frekvensegenskaper. Lågfrekventa emissioner beror alltid på DC-mellankondensatorns prestanda.
DC-länkens impedans beror inte bara på kondensatorns ESR och ESL, utan också på termoslingans yta, som visas i figur 3. En större termisk slingarea innebär att energiöverföringen tar längre tid, så prestanda kommer att påverkas.
En step-down DC-DC-omvandlare byggdes för att bevisa detta. EMC-testinställningen som visas i figur 4 utför en utförd emissionsskanning mellan 150 kHz och 108 MHz.
Det är viktigt att säkerställa att kondensatorerna som används i denna fallstudie alla är från samma tillverkare för att undvika skillnader i impedansegenskaper. När du löder kondensatorn på kretskortet, se till att det inte finns några långa ledningar, eftersom detta kommer att öka kondensatorns ESL. Figur 5 visar de tre konfigurationerna.
De genomförda emissionsresultaten för dessa tre konfigurationer visas i figur 6. Det kan ses att jämfört med en enda 680 µF kondensator, uppnår de två 330 µF kondensatorerna en brusreduceringsprestanda på 6 dB över ett bredare frekvensområde.
Från kretsteorin kan man säga att genom att parallellkoppla två kondensatorer halveras både ESL och ESR. Ur fältteoretisk synvinkel finns det inte bara en energikälla, utan två energikällor tillförs samma belastning, vilket effektivt minskar den totala energiöverföringstiden. Men vid högre frekvenser kommer skillnaden mellan två 330 µF kondensatorer och en 680 µF kondensator att krympa. Detta beror på att högfrekvent brus indikerar otillräckligt stegenergisvar. När vi flyttar en 330 µF kondensator närmare switchen minskar vi energiöverföringstiden, vilket effektivt ökar kondensatorns stegsvar.
Resultatet säger oss en mycket viktig lärdom. Att öka kapacitansen för en enskild kondensator kommer i allmänhet inte att stödja stegbehovet för mer energi. Använd om möjligt några mindre kapacitiva komponenter. Det finns många goda skäl till detta. Den första är kostnaden. Generellt sett, för samma paketstorlek, ökar kostnaden för en kondensator exponentiellt med kapacitansvärdet. Att använda en enda kondensator kan vara dyrare än att använda flera mindre kondensatorer. Det andra skälet är storleken. Den begränsande faktorn i produktdesign är vanligtvis höjden på komponenterna. För kondensatorer med stor kapacitet är höjden ofta för stor, vilket inte är lämpligt för produktdesign. Det tredje skälet är EMC-prestandan vi såg i fallstudien.
En annan faktor att tänka på när du använder en elektrolytisk kondensator är att när du ansluter två kondensatorer i serie för att dela spänningen, behöver du ett balanseringsmotstånd 6.
Som nämnts tidigare är keramiska kondensatorer miniatyrenheter som snabbt kan ge energi. Jag får ofta frågan "Hur mycket kondensator behöver jag?" Svaret på denna fråga är att för keramiska kondensatorer bör kapacitansvärdet inte vara så viktigt. Det viktiga här är att bestämma vid vilken frekvens energiöverföringshastigheten är tillräcklig för din applikation. Om den ledande emissionen misslyckas vid 100 MHz, kommer kondensatorn med den minsta impedansen vid 100 MHz att vara ett bra val.
Detta är ytterligare ett missförstånd av MLCC. Jag har sett ingenjörer spendera mycket energi på att välja keramiska kondensatorer med lägst ESR och ESL innan de ansluter kondensatorerna till RF-referenspunkten genom långa spår. Det är värt att nämna att ESL för MLCC vanligtvis är mycket lägre än anslutningsinduktansen på kortet. Anslutningsinduktans är fortfarande den viktigaste parametern som påverkar högfrekvensimpedansen hos keramiska kondensatorer7.
Figur 7 visar ett dåligt exempel. Långa spår (0,5 tum långa) introducerar minst 10nH induktans. Simuleringsresultatet visar att kondensatorns impedans blir mycket högre än förväntat vid frekvenspunkten (50 MHz).
Ett av problemen med MLCC är att de tenderar att resonera med den induktiva strukturen på kortet. Detta kan ses i exemplet som visas i figur 8, där användningen av en 10 µF MLCC introducerar resonans vid ungefär 300 kHz.
Du kan minska resonansen genom att välja en komponent med en större ESR eller helt enkelt sätta ett litet värdemotstånd (som 1 ohm) i serie med en kondensator. Denna typ av metod använder förlustbringande komponenter för att undertrycka systemet. En annan metod är att använda ett annat kapacitansvärde för att flytta resonansen till en lägre eller högre resonanspunkt.
Filmkondensatorer används i många applikationer. De är de valda kondensatorerna för högeffekts DC-DC-omvandlare och används som EMI-undertryckningsfilter över kraftledningar (AC och DC) och filterkonfigurationer i common-mode. Vi tar en X-kondensator som ett exempel för att illustrera några av huvudpunkterna med att använda filmkondensatorer.
Om en överspänningshändelse inträffar hjälper det till att begränsa toppspänningen på linjen, så den används vanligtvis med en transient spänningsdämpare (TVS) eller metalloxidvaristor (MOV).
Du kanske redan vet allt detta, men visste du att kapacitansvärdet för en X-kondensator kan reduceras avsevärt med många års användning? Detta gäller särskilt om kondensatorn används i en fuktig miljö. Jag har sett kapacitansvärdet för X-kondensatorn bara sjunka till några få procent av dess nominella värde inom ett eller två år, så systemet som ursprungligen designades med X-kondensatorn förlorade faktiskt allt skydd som frontkondensatorn kan ha.
Så vad hände? Fuktluft kan läcka in i kondensatorn, upp i tråden och mellan lådan och epoximassan. Aluminiummetalliseringen kan sedan oxideras. Aluminiumoxid är en bra elektrisk isolator, vilket minskar kapacitansen. Detta är ett problem som alla filmkondensatorer kommer att stöta på. Frågan jag pratar om är filmtjockleken. Ansedda kondensatormärken använder tjockare filmer, vilket resulterar i större kondensatorer än andra märken. Den tunnare filmen gör kondensatorn mindre robust mot överbelastning (spänning, ström eller temperatur), och det är osannolikt att den läker sig själv.
Om X-kondensatorn inte är permanent ansluten till strömförsörjningen, behöver du inte oroa dig. Till exempel för en produkt som har en hård switch mellan strömförsörjning och kondensator kan storleken vara viktigare än livet och då kan du välja en tunnare kondensator.
Men om kondensatorn är permanent ansluten till strömkällan måste den vara mycket tillförlitlig. Oxidationen av kondensatorer är inte oundviklig. Om kondensatorns epoximaterial är av god kvalitet och kondensatorn inte ofta utsätts för extrema temperaturer, bör värdefallet vara minimalt.
I den här artikeln introducerades först den fältteoretiska synen på kondensatorer. Praktiska exempel och simuleringsresultat visar hur man väljer och använder de vanligaste kondensatortyperna. Hoppas att denna information kan hjälpa dig att förstå kondensatorernas roll i elektronisk design och EMC-design mer heltäckande.
Dr. Min Zhang är grundare och ledande EMC-konsult för Mach One Design Ltd, ett brittiskt ingenjörsföretag som specialiserat sig på EMC-rådgivning, felsökning och utbildning. Hans djupa kunskaper inom kraftelektronik, digital elektronik, motorer och produktdesign har gynnat företag runt om i världen.
In Compliance är den främsta källan till nyheter, information, utbildning och inspiration för proffs inom elektro- och elektronikteknik.
Aerospace Fordon Kommunikation Konsumentelektronik Utbildning Energi och kraftindustri Informationsteknik Medicinsk militär och nationellt försvar