noticias

Os capacitores son un dos compoñentes máis utilizados nas placas de circuíto. A medida que o número de dispositivos electrónicos (desde teléfonos móbiles ata coches) segue aumentando, tamén o fai a demanda de capacitores. A pandemia de Covid 19 interrompeu a cadea mundial de subministración de compoñentes dos semicondutores. aos compoñentes pasivos, e os capacitores foron escasos1.
As discusións sobre o tema dos capacitores pódense converter facilmente nun libro ou nun dicionario. En primeiro lugar, hai diferentes tipos de capacitores, como capacitores electrolíticos, capacitores de película, capacitores cerámicos, etc. Despois, no mesmo tipo, hai diferentes materiais dieléctricos. Tamén hai diferentes clases. En canto á estrutura física, hai tipos de capacitores de dous e tres terminais. Tamén hai un capacitor de tipo X2Y, que é esencialmente un par de capacitores Y encapsulados nun. Que pasa cos supercondensadores. ?O feito é que se te sentes e comezas a ler as guías de selección de capacitores dos principais fabricantes, podes pasar o día facilmente!
Dado que este artigo trata sobre os conceptos básicos, usarei un método diferente como de costume. Como se mencionou anteriormente, as guías de selección de capacitores pódense atopar facilmente nos sitios web dos provedores 3 e 4, e os enxeñeiros de campo normalmente poden responder á maioría das preguntas sobre capacitores. Neste artigo, Non repetirei o que podes atopar en Internet, pero demostrarei como elixir e usar capacitores a través de exemplos prácticos. Tamén se tratarán algúns aspectos menos coñecidos da selección de capacitores, como a degradación da capacitancia. Despois de ler este artigo, debe ter unha boa comprensión do uso dos capacitores.
Hai anos, cando traballaba nunha empresa que fabricaba equipos electrónicos, tivemos unha pregunta de entrevista para un enxeñeiro de electrónica de potencia. No diagrama esquemático do produto existente, preguntarémoslles aos posibles candidatos: "Cal é a función do electrolítico de enlace de CC". capacitor?"e "Cal é a función do capacitor cerámico xunto ao chip?"Agardamos que a resposta correcta sexa o condensador de bus de CC Usado para o almacenamento de enerxía, os capacitores cerámicos úsanse para filtrar.
A resposta "correcta" que buscamos mostra en realidade que todos os integrantes do equipo de deseño miran os capacitores desde unha perspectiva de circuíto simple, non desde a perspectiva da teoría de campos. O punto de vista da teoría de circuítos non está mal. En frecuencias baixas (a partir duns poucos kHz). a uns poucos MHz), a teoría de circuítos adoita explicar ben o problema. Isto débese a que a frecuencias máis baixas, o sinal está principalmente en modo diferencial. Usando a teoría de circuítos, podemos ver o capacitor que se mostra na Figura 1, onde a resistencia en serie equivalente ( ESR) e a inductancia en serie equivalente (ESL) fan que a impedancia do capacitor cambie coa frecuencia.
Este modelo explica completamente o rendemento do circuíto cando o circuíto se cambia lentamente. Non obstante, a medida que aumenta a frecuencia, as cousas complícanse cada vez máis. Nalgún momento, o compoñente comeza a mostrar non linealidade. Cando a frecuencia aumenta, o modelo LCR simple. ten as súas limitacións.
Hoxe, se me fixesen a mesma pregunta da entrevista, usaría as miñas lentes de observación de teoría de campo e diría que os dous tipos de capacitores son dispositivos de almacenamento de enerxía. A diferenza é que os capacitores electrolíticos poden almacenar máis enerxía que os capacitores cerámicos. Pero en termos de transmisión de enerxía. , os capacitores cerámicos poden transmitir enerxía máis rápido.Isto explica por que os capacitores cerámicos deben colocarse xunto ao chip, porque o chip ten unha frecuencia de conmutación e unha velocidade de conmutación máis altas en comparación co circuíto de enerxía principal.
Desde esta perspectiva, podemos simplemente definir dous estándares de rendemento para capacitores. Un é a cantidade de enerxía que pode almacenar o capacitor e o outro é a rapidez coa que se pode transferir esta enerxía. Ambos dependen do método de fabricación do capacitor, o material dieléctrico, a conexión co capacitor, etc.
Cando o interruptor do circuíto está pechado (ver Figura 2), indica que a carga necesita enerxía da fonte de enerxía. A velocidade á que se pecha este interruptor determina a urxencia da demanda de enerxía. Xa que a enerxía viaxa á velocidade da luz (a metade). a velocidade da luz nos materiais FR4), leva tempo transferir enerxía. Ademais, hai un desajuste de impedancia entre a fonte e a liña de transmisión e a carga. Isto significa que a enerxía nunca se transferirá nunha viaxe, senón en múltiples viaxes de ida e volta5, polo que cando o interruptor cambia rapidamente, vemos atrasos e timbres na forma de onda de conmutación.
Figura 2: A enerxía leva tempo en propagarse no espazo;O desajuste de impedancia provoca múltiples ida e volta de transferencia de enerxía.
O feito de que a transferencia de enerxía leva tempo e múltiples viaxes de ida e volta indícanos que temos que localizar a fonte de enerxía o máis preto posible da carga, e necesitamos atopar unha forma de transferir enerxía rapidamente. O primeiro adoita conseguirse reducindo a carga física. distancia entre a carga, o interruptor e o capacitor.Este último conséguese reunindo un grupo de capacitores coa menor impedancia.
A teoría de campos tamén explica o que causa o ruído de modo común. En resumo, o ruído de modo común xérase cando a demanda de enerxía da carga non se satisface durante a conmutación. Polo tanto, a enerxía almacenada no espazo entre a carga e os condutores próximos proporcionarase para soportar. a demanda escalonada.O espazo entre a carga e os condutores próximos é o que chamamos capacidade parasitaria/mutua (ver Figura 2).
Usamos os seguintes exemplos para demostrar como usar capacitores electrolíticos, capacitores cerámicos multicapa (MLCC) e capacitores de película. Utilízanse tanto a teoría de circuítos como a teoría de campos para explicar o rendemento dos capacitores seleccionados.
Os capacitores electrolíticos utilízanse principalmente no enlace de CC como a principal fonte de enerxía. A elección do capacitor electrolítico a miúdo depende de:
Para o rendemento EMC, as características máis importantes dos capacitores son as características de impedancia e frecuencia. As emisións conducidas en baixa frecuencia sempre dependen do rendemento do capacitor de enlace DC.
A impedancia do enlace de CC depende non só da ESR e ESL do capacitor, senón tamén da área do bucle térmico, como se mostra na Figura 3. Unha área de bucle térmica maior significa que a transferencia de enerxía leva máis tempo, polo que o rendemento serán afectados.
Construíuse un conversor DC-DC reducido para demostralo. A configuración de proba de compatibilidade electromagnética previa que se mostra na Figura 4 realiza unha exploración de emisións realizada entre 150 kHz e 108 MHz.
É importante asegurarse de que os capacitores utilizados neste caso de estudo sexan todos do mesmo fabricante para evitar diferenzas nas características de impedancia. Ao soldar o capacitor na PCB, asegúrese de que non haxa cables longos, xa que isto aumentará o ESL de o capacitor.A figura 5 mostra as tres configuracións.
Os resultados das emisións realizadas destas tres configuracións móstranse na Figura 6. Pódese ver que, en comparación cun único capacitor de 680 µF, os dous capacitores de 330 µF conseguen un rendemento de redución de ruído de 6 dB nun rango de frecuencias máis amplo.
Desde a teoría do circuíto, pódese dicir que ao conectar dous capacitores en paralelo, tanto ESL como ESR redúcense á metade. Desde o punto de vista da teoría de campos, non hai só unha fonte de enerxía, senón que se subministran dúas fontes de enerxía á mesma carga. , reducindo de forma efectiva o tempo total de transmisión de enerxía. Non obstante, a frecuencias máis altas, a diferenza entre dous capacitores de 330 µF e un capacitor de 680 µF reducirase. Isto débese a que o ruído de alta frecuencia indica unha resposta de enerxía de paso insuficiente. Cando se achega un capacitor de 330 µF ao o interruptor, reducimos o tempo de transferencia de enerxía, o que aumenta efectivamente a resposta de paso do capacitor.
O resultado indícanos unha lección moi importante. Aumentar a capacidade dun só capacitor xeralmente non soportará a demanda escalonada de máis enerxía. Se é posible, use algúns compoñentes capacitivos máis pequenos. Hai moitas boas razóns para iso. O primeiro é o custo. Xeralmente falando, para o mesmo tamaño de paquete, o custo dun capacitor aumenta exponencialmente co valor da capacidade. Usar un só capacitor pode ser máis caro que usar varios condensadores máis pequenos. A segunda razón é o tamaño. O factor limitante no deseño do produto adoita ser a altura. dos compoñentes.Para capacitores de gran capacidade, a altura adoita ser demasiado grande para o deseño do produto.O terceiro motivo é o rendemento EMC que vimos no estudo de caso.
Outro factor a ter en conta ao usar un capacitor electrolítico é que cando conectas dous capacitores en serie para compartir a tensión, necesitarás unha resistencia de equilibrio 6.
Como se mencionou anteriormente, os capacitores cerámicos son dispositivos en miniatura que poden proporcionar enerxía rapidamente. Moitas veces me preguntan "Canto capacitor necesito?" A resposta a esta pregunta é que para os capacitores cerámicos, o valor da capacitancia non debería ser tan importante. A consideración importante aquí é determinar en que frecuencia a velocidade de transferencia de enerxía é suficiente para a súa aplicación. Se a emisión conducida falla a 100 MHz, entón o capacitor coa menor impedancia a 100 MHz será unha boa opción.
Este é outro malentendido de MLCC. Vin enxeñeiros gastar moita enerxía escollendo capacitores cerámicos co ESR e ESL máis baixos antes de conectar os capacitores ao punto de referencia de RF a través de trazos longos. Paga a pena mencionar que o ESL de MLCC adoita ser moito. inferior á inductancia de conexión na placa.A inductancia de conexión aínda é o parámetro máis importante que afecta á impedancia de alta frecuencia dos capacitores cerámicos7.
A figura 7 mostra un mal exemplo. Os trazos longos (0,5 polgadas de lonxitude) introducen polo menos 10 nH de inductancia. O resultado da simulación mostra que a impedancia do capacitor se fai moito maior do esperado no punto de frecuencia (50 MHz).
Un dos problemas dos MLCC é que tenden a resoar coa estrutura indutiva da placa. Isto pódese ver no exemplo mostrado na Figura 8, onde o uso dun MLCC de 10 µF introduce resonancia a aproximadamente 300 kHz.
Pode reducir a resonancia escollendo un compoñente cun ESR maior ou simplemente poñendo unha resistencia de pequeno valor (como 1 ohmio) en serie cun capacitor. Este tipo de método usa compoñentes con perdas para suprimir o sistema. Outro método é usar outra capacitancia. valor para mover a resonancia a un punto de resonancia inferior ou superior.
Os capacitores de película utilízanse en moitas aplicacións. Son os capacitores preferidos para conversores DC-DC de alta potencia e utilízanse como filtros de supresión EMI en liñas eléctricas (CA e DC) e configuracións de filtrado de modo común. Tomamos un capacitor X como un exemplo para ilustrar algúns dos puntos principais do uso de condensadores de película.
Se se produce un evento de sobretensión, axuda a limitar a tensión de pico de tensión na liña, polo que adoita usarse cun supresor de tensión transitoria (TVS) ou un varistor de óxido metálico (MOV).
Quizais xa saibas todo isto, pero sabías que o valor de capacitancia dun capacitor X pode reducirse significativamente con anos de uso? Isto é especialmente certo se o capacitor se usa nun ambiente húmido. Vin o valor de capacitancia de o capacitor X só cae a un pouco por cento do seu valor nominal nun ou dous anos, polo que o sistema orixinalmente deseñado co capacitor X en realidade perdeu toda a protección que podería ter o capacitor frontal.
Entón, que pasou?O aire de humidade pode filtrarse no capacitor, polo fío e entre a caixa e o composto epoxi. A metalización do aluminio pódese oxidar. A alúmina é un bo illante eléctrico, reducindo así a capacidade. Este é un problema que atoparanse todos os capacitores de película. O problema do que estou a falar é o grosor da película. As marcas de capacitores reputadas usan películas máis grosas, o que resulta en condensadores máis grandes que outras marcas. A película máis delgada fai que o capacitor sexa menos resistente á sobrecarga (tensión, corrente ou temperatura). e é pouco probable que se cure por si mesmo.
Se o capacitor X non está conectado permanentemente á fonte de alimentación, non tes que preocuparte. Por exemplo, para un produto que ten un interruptor duro entre a fonte de alimentación e o capacitor, o tamaño pode ser máis importante que a vida. entón podes escoller un capacitor máis fino.
Non obstante, se o capacitor está conectado permanentemente á fonte de enerxía, debe ser altamente fiable. A oxidación dos capacitores non é inevitable. Se o material epoxi do capacitor é de boa calidade e o capacitor non adoita estar exposto a temperaturas extremas, a caída de o valor debe ser mínimo.
Neste artigo, introduciu por primeira vez a vista da teoría de campo dos capacitores. Exemplos prácticos e resultados de simulación mostran como seleccionar e usar os tipos de capacitores máis comúns. Espero que esta información poida axudarche a comprender o papel dos capacitores no deseño electrónico e EMC de forma máis ampla.
O doutor Min Zhang é o fundador e consultor xefe de EMC de Mach One Design Ltd, unha empresa de enxeñaría con sede no Reino Unido especializada en consultoría, resolución de problemas e formación EMC. O seu profundo coñecemento en electrónica de potencia, electrónica dixital, motores e deseño de produtos beneficiouse. empresas de todo o mundo.
In Compliance é a principal fonte de noticias, información, educación e inspiración para os profesionais da enxeñería eléctrica e electrónica.
Aeroespacial Automoción Comunicacións Electrónica de consumo Educación Enerxía e enerxía Industria Tecnoloxías da información Médico Militar e Defensa Nacional