νέα

Οι πυκνωτές είναι ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα εξαρτήματα στις πλακέτες κυκλωμάτων. Καθώς ο αριθμός των ηλεκτρονικών συσκευών (από κινητά τηλέφωνα μέχρι αυτοκίνητα) συνεχίζει να αυξάνεται, το ίδιο συμβαίνει και με τη ζήτηση για πυκνωτές. Η πανδημία του Covid 19 έχει διαταράξει την παγκόσμια αλυσίδα εφοδιασμού εξαρτημάτων από ημιαγωγούς σε παθητικά εξαρτήματα και οι πυκνωτές ήταν σε έλλειψη1.
Οι συζητήσεις για το θέμα των πυκνωτών μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε βιβλίο ή λεξικό. Πρώτον, υπάρχουν διάφοροι τύποι πυκνωτών, όπως ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, πυκνωτές φιλμ, κεραμικοί πυκνωτές και ούτω καθεξής. Στη συνέχεια, στον ίδιο τύπο, υπάρχουν διαφορετικά διηλεκτρικά υλικά. Υπάρχουν επίσης διαφορετικές τάξεις. Όσον αφορά τη φυσική δομή, υπάρχουν τύποι πυκνωτών δύο ακροδεκτών και τριών ακροδεκτών. Υπάρχει επίσης ένας πυκνωτής τύπου X2Y, ο οποίος είναι ουσιαστικά ένα ζεύγος πυκνωτών Υ ενθυλακωμένο σε έναν. Τι γίνεται με τους υπερπυκνωτές; Το γεγονός είναι ότι αν καθίσετε και αρχίσετε να διαβάζετε οδηγούς επιλογής πυκνωτών από μεγάλους κατασκευαστές, μπορείτε εύκολα να περάσετε τη μέρα σας!
Επειδή αυτό το άρθρο αφορά τα βασικά, θα χρησιμοποιήσω μια διαφορετική μέθοδο ως συνήθως. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι οδηγοί επιλογής πυκνωτών μπορούν να βρεθούν εύκολα στους ιστότοπους προμηθευτών 3 και 4 και οι μηχανικοί πεδίου μπορούν συνήθως να απαντήσουν στις περισσότερες ερωτήσεις σχετικά με τους πυκνωτές. Σε αυτό το άρθρο, δεν θα επαναλάβω αυτά που μπορείτε να βρείτε στο Διαδίκτυο, αλλά θα δείξω πώς να επιλέγετε και να χρησιμοποιείτε πυκνωτές μέσω πρακτικών παραδειγμάτων. Ορισμένες λιγότερο γνωστές πτυχές της επιλογής πυκνωτών, όπως η υποβάθμιση της χωρητικότητας, θα καλυφθούν επίσης. Αφού διαβάσετε αυτό το άρθρο, θα πρέπει να έχετε καλή κατανόηση της χρήσης των πυκνωτών.
Πριν από χρόνια, όταν δούλευα σε μια εταιρεία που κατασκεύαζε ηλεκτρονικό εξοπλισμό, είχαμε μια ερώτηση συνέντευξης για έναν μηχανικό ηλεκτρονικών ισχύος. Στο σχηματικό διάγραμμα του υπάρχοντος προϊόντος, θα ρωτήσουμε τους πιθανούς υποψήφιους "Ποια είναι η λειτουργία του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή DC link;" και "Ποια είναι η λειτουργία του κεραμικού πυκνωτή που βρίσκεται δίπλα στο τσιπ;" Ελπίζουμε ότι η σωστή απάντηση είναι ο πυκνωτής διαύλου DC Χρησιμοποιείται για αποθήκευση ενέργειας, κεραμικοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται για φιλτράρισμα.
Η «σωστή» απάντηση που αναζητούμε δείχνει στην πραγματικότητα ότι όλοι στην ομάδα σχεδιασμού εξετάζουν τους πυκνωτές από την προοπτική ενός απλού κυκλώματος, όχι από την άποψη της θεωρίας πεδίου. Η άποψη της θεωρίας του κυκλώματος δεν είναι λάθος. Σε χαμηλές συχνότητες (από μερικά kHz έως μερικά MHz), η θεωρία κυκλώματος μπορεί συνήθως να εξηγήσει καλά το πρόβλημα. Αυτό συμβαίνει γιατί σε χαμηλότερες συχνότητες, το σήμα είναι κυρίως σε διαφορική λειτουργία. Χρησιμοποιώντας τη θεωρία κυκλώματος, μπορούμε να δούμε τον πυκνωτή που φαίνεται στο Σχήμα 1, όπου η αντίσταση ισοδύναμης σειράς (ESR) και η επαγωγή ισοδύναμης σειράς (ESL) κάνουν την αντίσταση του πυκνωτή να αλλάζει με τη συχνότητα.
Αυτό το μοντέλο εξηγεί πλήρως την απόδοση του κυκλώματος όταν το κύκλωμα αλλάζει αργά. Ωστόσο, όσο αυξάνεται η συχνότητα, τα πράγματα γίνονται όλο και πιο περίπλοκα. Σε κάποιο σημείο, το στοιχείο αρχίζει να δείχνει μη γραμμικότητα. Όταν η συχνότητα αυξάνεται, το απλό μοντέλο LCR έχει τους περιορισμούς του.
Σήμερα, αν μου έκαναν την ίδια ερώτηση συνέντευξης, θα φορούσα τα γυαλιά παρατήρησης της θεωρίας πεδίου και θα έλεγα ότι και οι δύο τύποι πυκνωτών είναι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Η διαφορά είναι ότι οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερη ενέργεια από τους κεραμικούς πυκνωτές. Αλλά όσον αφορά τη μετάδοση ενέργειας, οι κεραμικοί πυκνωτές μπορούν να μεταδώσουν ενέργεια πιο γρήγορα. Αυτό εξηγεί γιατί οι κεραμικοί πυκνωτές πρέπει να τοποθετούνται δίπλα στο τσιπ, επειδή το τσιπ έχει υψηλότερη συχνότητα μεταγωγής και ταχύτητα μεταγωγής σε σύγκριση με το κύριο κύκλωμα ισχύος.
Από αυτή την άποψη, μπορούμε απλά να ορίσουμε δύο πρότυπα απόδοσης για πυκνωτές. Το ένα είναι πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκεύσει ο πυκνωτής και το άλλο είναι πόσο γρήγορα μπορεί να μεταφερθεί αυτή η ενέργεια. Και τα δύο εξαρτώνται από τη μέθοδο κατασκευής του πυκνωτή, το διηλεκτρικό υλικό, τη σύνδεση με τον πυκνωτή κ.λπ.
Όταν ο διακόπτης στο κύκλωμα είναι κλειστός (βλ. Εικόνα 2), υποδεικνύει ότι το φορτίο χρειάζεται ενέργεια από την πηγή ισχύος. Η ταχύτητα με την οποία κλείνει αυτός ο διακόπτης καθορίζει τον επείγοντα χαρακτήρα της ζήτησης ενέργειας. Δεδομένου ότι η ενέργεια ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός (η μισή ταχύτητα του φωτός στα υλικά FR4), χρειάζεται χρόνος για τη μεταφορά ενέργειας. Επιπλέον, υπάρχει αναντιστοιχία σύνθετης αντίστασης μεταξύ της πηγής και της γραμμής μεταφοράς και του φορτίου. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια δεν θα μεταφερθεί ποτέ σε μία διαδρομή, αλλά σε πολλαπλές διαδρομές μετ' επιστροφής5, γι' αυτό όταν ο διακόπτης αλλάζει γρήγορα, θα βλέπουμε καθυστερήσεις και κουδούνισμα στην κυματομορφή μεταγωγής.
Εικόνα 2: Χρειάζεται χρόνος για να διαδοθεί η ενέργεια στο διάστημα. Η αναντιστοιχία σύνθετης αντίστασης προκαλεί πολλαπλές διαδρομές μεταφοράς ενέργειας.
Το γεγονός ότι η παράδοση ενέργειας απαιτεί χρόνο και πολλαπλές διαδρομές μετ' επιστροφής μας λέει ότι πρέπει να μεταφέρουμε την ενέργεια όσο το δυνατόν πιο κοντά στο φορτίο και πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να την παραδώσουμε γρήγορα. Το πρώτο συνήθως επιτυγχάνεται με τη μείωση της φυσικής απόστασης μεταξύ του φορτίου, του διακόπτη και του πυκνωτή. Το τελευταίο επιτυγχάνεται με τη συγκέντρωση μιας ομάδας πυκνωτών με τη μικρότερη αντίσταση.
Η θεωρία πεδίου εξηγεί επίσης τι προκαλεί θόρυβο κοινής λειτουργίας. Εν ολίγοις, ο θόρυβος κοινής λειτουργίας δημιουργείται όταν η ζήτηση ενέργειας του φορτίου δεν ικανοποιείται κατά τη μεταγωγή. Ως εκ τούτου, η ενέργεια που αποθηκεύεται στο χώρο μεταξύ του φορτίου και των κοντινών αγωγών θα παρέχεται για να υποστηρίξει τη ζήτηση βημάτων. Ο χώρος μεταξύ του φορτίου και των κοντινών αγωγών είναι αυτό που ονομάζουμε παρασιτική/αμοιβαία χωρητικότητα (βλ. Εικόνα 2).
Χρησιμοποιούμε τα ακόλουθα παραδείγματα για να δείξουμε πώς να χρησιμοποιούμε ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, πολυστρωματικούς κεραμικούς πυκνωτές (MLCC) και πυκνωτές φιλμ. Τόσο η θεωρία κυκλώματος όσο και η θεωρία πεδίου χρησιμοποιούνται για να εξηγήσουν την απόδοση επιλεγμένων πυκνωτών.
Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται κυρίως στη σύνδεση DC ως κύρια πηγή ενέργειας. Η επιλογή του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή συχνά εξαρτάται από:
Για την απόδοση EMC, τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των πυκνωτών είναι η σύνθετη αντίσταση και τα χαρακτηριστικά συχνότητας. Οι εκπομπές χαμηλής συχνότητας εξαρτώνται πάντα από την απόδοση του πυκνωτή σύνδεσης DC.
Η σύνθετη αντίσταση του συνδέσμου DC εξαρτάται όχι μόνο από το ESR και το ESL του πυκνωτή, αλλά και από την περιοχή του θερμικού βρόχου, όπως φαίνεται στο σχήμα 3. Μια μεγαλύτερη περιοχή θερμικού βρόχου σημαίνει ότι η μεταφορά ενέργειας διαρκεί περισσότερο, επομένως η απόδοση θα επηρεαστεί.
Για να το αποδείξει αυτό κατασκευάστηκε ένας μετατροπέας DC-DC προς τα κάτω. Η ρύθμιση δοκιμής EMC προ-συμμόρφωσης που φαίνεται στο Σχήμα 4 εκτελεί διεξαγόμενη σάρωση εκπομπής μεταξύ 150kHz και 108MHz.
Είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι οι πυκνωτές που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη περίπτωσης είναι όλοι από τον ίδιο κατασκευαστή για να αποφευχθούν διαφορές στα χαρακτηριστικά σύνθετης αντίστασης. Κατά τη συγκόλληση του πυκνωτή στο PCB, βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχουν μακριές απαγωγές, καθώς αυτό θα αυξήσει το ESL του πυκνωτή. Το σχήμα 5 δείχνει τις τρεις διαμορφώσεις.
Τα αποτελέσματα εκπομπών αυτών των τριών διαμορφώσεων φαίνονται στο Σχήμα 6. Μπορεί να φανεί ότι, σε σύγκριση με έναν μόνο πυκνωτή 680 μF, οι δύο πυκνωτές 330 μF επιτυγχάνουν απόδοση μείωσης θορύβου 6 dB σε ένα ευρύτερο εύρος συχνοτήτων.
Από τη θεωρία του κυκλώματος, μπορεί να ειπωθεί ότι με τη σύνδεση δύο πυκνωτών παράλληλα, τόσο το ESL όσο και το ESR μειώνονται στο μισό. Από την άποψη της θεωρίας πεδίου, δεν υπάρχει μόνο μία πηγή ενέργειας, αλλά δύο πηγές ενέργειας παρέχονται στο ίδιο φορτίο, μειώνοντας αποτελεσματικά τον συνολικό χρόνο μετάδοσης ενέργειας. Ωστόσο, σε υψηλότερες συχνότητες, η διαφορά μεταξύ δύο πυκνωτών 330 µF και ενός πυκνωτή 680 µF θα συρρικνωθεί. Αυτό συμβαίνει επειδή ο θόρυβος υψηλής συχνότητας υποδηλώνει ανεπαρκή ενεργειακή απόκριση βήματος. Όταν μετακινούμε έναν πυκνωτή 330 μF πιο κοντά στον διακόπτη, μειώνουμε τον χρόνο μεταφοράς ενέργειας, γεγονός που αυξάνει αποτελεσματικά την απόκριση βήματος του πυκνωτή.
Το αποτέλεσμα μας λέει ένα πολύ σημαντικό μάθημα. Η αύξηση της χωρητικότητας ενός μόνο πυκνωτή γενικά δεν θα υποστηρίξει τη βηματική ζήτηση για περισσότερη ενέργεια. Εάν είναι δυνατόν, χρησιμοποιήστε μερικά μικρότερα χωρητικά εξαρτήματα. Υπάρχουν πολλοί καλοί λόγοι για αυτό. Το πρώτο είναι το κόστος. Γενικά, για το ίδιο μέγεθος συσκευασίας, το κόστος ενός πυκνωτή αυξάνεται εκθετικά με την τιμή της χωρητικότητας. Η χρήση ενός μόνο πυκνωτή μπορεί να είναι πιο ακριβή από τη χρήση πολλών μικρότερων πυκνωτών. Ο δεύτερος λόγος είναι το μέγεθος. Ο περιοριστικός παράγοντας στο σχεδιασμό του προϊόντος είναι συνήθως το ύψος των εξαρτημάτων. Για πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας, το ύψος είναι συχνά πολύ μεγάλο, το οποίο δεν είναι κατάλληλο για σχεδιασμό προϊόντος. Ο τρίτος λόγος είναι η απόδοση EMC που είδαμε στη μελέτη περίπτωσης.
Ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να λάβετε υπόψη όταν χρησιμοποιείτε έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή είναι ότι όταν συνδέετε δύο πυκνωτές σε σειρά για να μοιραστείτε την τάση, θα χρειαστείτε μια αντίσταση εξισορρόπησης 6.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι κεραμικοί πυκνωτές είναι μικροσκοπικές συσκευές που μπορούν να παρέχουν γρήγορα ενέργεια. Μου κάνουν συχνά την ερώτηση "Πόσο πυκνωτή χρειάζομαι;" Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι ότι για τους κεραμικούς πυκνωτές, η τιμή χωρητικότητας δεν πρέπει να είναι τόσο σημαντική. Το σημαντικό θέμα εδώ είναι να προσδιορίσετε σε ποια συχνότητα η ταχύτητα μεταφοράς ενέργειας είναι επαρκής για την εφαρμογή σας. Εάν η εκπεμπόμενη εκπομπή αποτύχει στα 100 MHz, τότε ο πυκνωτής με τη μικρότερη αντίσταση στα 100 MHz θα είναι μια καλή επιλογή.
Αυτή είναι μια άλλη παρεξήγηση του MLCC. Έχω δει μηχανικούς να ξοδεύουν πολλή ενέργεια επιλέγοντας κεραμικούς πυκνωτές με το χαμηλότερο ESR και ESL πριν συνδέσουν τους πυκνωτές στο σημείο αναφοράς RF μέσω μεγάλων ιχνών. Αξίζει να αναφέρουμε ότι το ESL του MLCC είναι συνήθως πολύ χαμηλότερο από την επαγωγή σύνδεσης στην πλακέτα. Η επαγωγή σύνδεσης εξακολουθεί να είναι η πιο σημαντική παράμετρος που επηρεάζει την σύνθετη αντίσταση υψηλής συχνότητας των κεραμικών πυκνωτών7.
Το σχήμα 7 δείχνει ένα κακό παράδειγμα. Τα μεγάλα ίχνη (μήκους 0,5 ίντσες) εισάγουν επαγωγή τουλάχιστον 10nH. Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης δείχνει ότι η σύνθετη αντίσταση του πυκνωτή γίνεται πολύ υψηλότερη από την αναμενόμενη στο σημείο συχνότητας (50 MHz).
Ένα από τα προβλήματα με τα MLCC είναι ότι τείνουν να συντονίζονται με την επαγωγική δομή στον πίνακα. Αυτό μπορεί να φανεί στο παράδειγμα που φαίνεται στο Σχήμα 8, όπου η χρήση ενός MLCC 10 μF εισάγει συντονισμό στα περίπου 300 kHz.
Μπορείτε να μειώσετε τον συντονισμό επιλέγοντας ένα εξάρτημα με μεγαλύτερο ESR ή απλώς βάζοντας μια αντίσταση μικρής τιμής (όπως 1 Ω) σε σειρά με έναν πυκνωτή. Αυτός ο τύπος μεθόδου χρησιμοποιεί στοιχεία με απώλειες για την καταστολή του συστήματος. Μια άλλη μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσετε μια άλλη τιμή χωρητικότητας για να μετακινήσετε τον συντονισμό σε χαμηλότερο ή υψηλότερο σημείο συντονισμού.
Οι πυκνωτές φιλμ χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές. Είναι οι πυκνωτές της επιλογής για μετατροπείς DC-DC υψηλής ισχύος και χρησιμοποιούνται ως φίλτρα καταστολής EMI σε γραμμές ισχύος (AC και DC) και διαμορφώσεις φιλτραρίσματος κοινής λειτουργίας. Παίρνουμε έναν πυκνωτή Χ ως παράδειγμα για να επεξηγήσουμε μερικά από τα κύρια σημεία χρήσης πυκνωτών φιλμ.
Εάν συμβεί ένα συμβάν υπέρτασης, βοηθά στον περιορισμό της τάσης αιχμής στη γραμμή, επομένως χρησιμοποιείται συνήθως με έναν μεταβατικό καταστολέα τάσης (TVS) ή με βαρίστορ μεταλλικού οξειδίου (MOV).
Μπορεί να τα γνωρίζετε ήδη όλα αυτά, αλλά ξέρατε ότι η τιμή χωρητικότητας ενός πυκνωτή Χ μπορεί να μειωθεί σημαντικά με τα χρόνια χρήσης; Αυτό ισχύει ιδιαίτερα εάν ο πυκνωτής χρησιμοποιείται σε υγρό περιβάλλον. Έχω δει την τιμή χωρητικότητας του πυκνωτή Χ να πέφτει μόνο σε λίγα τοις εκατό της ονομαστικής του τιμής μέσα σε ένα ή δύο χρόνια, έτσι το σύστημα που σχεδιάστηκε αρχικά με τον πυκνωτή Χ έχασε στην πραγματικότητα όλη την προστασία που μπορεί να έχει ο πυκνωτής μπροστινής πλευράς.
Λοιπόν, τι έγινε; Ο αέρας υγρασίας μπορεί να διαρρεύσει στον πυκνωτή, επάνω στο σύρμα και μεταξύ του κουτιού και της εποξειδικής ένωσης γλάστρας. Η επιμετάλλωση του αλουμινίου μπορεί στη συνέχεια να οξειδωθεί. Η αλουμίνα είναι ένας καλός ηλεκτρικός μονωτήρας, μειώνοντας έτσι την χωρητικότητα. Αυτό είναι ένα πρόβλημα που θα αντιμετωπίσουν όλοι οι πυκνωτές φιλμ. Το θέμα για το οποίο μιλάω είναι το πάχος του φιλμ. Οι αξιόπιστες μάρκες πυκνωτών χρησιμοποιούν παχύτερες μεμβράνες, με αποτέλεσμα μεγαλύτερους πυκνωτές από άλλες μάρκες. Το λεπτότερο φιλμ καθιστά τον πυκνωτή λιγότερο ανθεκτικό σε υπερφόρτωση (τάση, ρεύμα ή θερμοκρασία) και είναι απίθανο να αυτοθεραπευθεί.
Εάν ο πυκνωτής Χ δεν είναι μόνιμα συνδεδεμένος στο τροφοδοτικό, τότε δεν χρειάζεται να ανησυχείτε. Για παράδειγμα, για ένα προϊόν που έχει σκληρό διακόπτη μεταξύ του τροφοδοτικού και του πυκνωτή, το μέγεθος μπορεί να είναι πιο σημαντικό από τη διάρκεια ζωής και, στη συνέχεια, μπορείτε να επιλέξετε έναν πιο λεπτό πυκνωτή.
Ωστόσο, εάν ο πυκνωτής είναι μόνιμα συνδεδεμένος στην πηγή ισχύος, πρέπει να είναι πολύ αξιόπιστος. Η οξείδωση των πυκνωτών δεν είναι αναπόφευκτη. Εάν το εποξειδικό υλικό του πυκνωτή είναι καλής ποιότητας και ο πυκνωτής δεν εκτίθεται συχνά σε ακραίες θερμοκρασίες, η πτώση της τιμής πρέπει να είναι ελάχιστη.
Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάστηκε για πρώτη φορά η άποψη της θεωρίας πεδίου των πυκνωτών. Πρακτικά παραδείγματα και αποτελέσματα προσομοίωσης δείχνουν τον τρόπο επιλογής και χρήσης των πιο συνηθισμένων τύπων πυκνωτών. Ελπίζουμε ότι αυτές οι πληροφορίες μπορούν να σας βοηθήσουν να κατανοήσετε τον ρόλο των πυκνωτών στον ηλεκτρονικό σχεδιασμό και τον σχεδιασμό ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας με μεγαλύτερη πληρότητα.
Ο Δρ Min Zhang είναι ο ιδρυτής και ο επικεφαλής σύμβουλος EMC της Mach One Design Ltd, μιας εταιρείας μηχανικών με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο που ειδικεύεται στη συμβουλευτική, την αντιμετώπιση προβλημάτων και την εκπαίδευση EMC. Οι σε βάθος γνώσεις του στα ηλεκτρονικά ισχύος, τα ψηφιακά ηλεκτρονικά, τους κινητήρες και το σχεδιασμό προϊόντων έχουν ωφελήσει εταιρείες σε όλο τον κόσμο.
Το In Compliance είναι η κύρια πηγή ειδήσεων, πληροφοριών, εκπαίδευσης και έμπνευσης για επαγγελματίες ηλεκτρολόγους και ηλεκτρονικούς μηχανικούς.
Αεροδιαστημική Αυτοκίνητο Επικοινωνίες Καταναλωτικά Ηλεκτρονικά Εκπαίδευση Βιομηχανία Ενέργειας και Ισχύος Πληροφορική Τεχνολογία Ιατρική Στρατιωτική και Εθνική Άμυνα