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Kondensatoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Komponenten auf Leiterplatten. Da die Anzahl elektronischer Geräte (vom Mobiltelefon bis zum Auto) weiter zunimmt, steigt auch die Nachfrage nach Kondensatoren. Die Covid-19-Pandemie hat die globale Komponentenlieferkette von Halbleitern unterbrochen hin zu passiven Komponenten und Kondensatoren waren Mangelware1.
Diskussionen zum Thema Kondensatoren lassen sich leicht in ein Buch oder ein Wörterbuch umwandeln. Erstens gibt es verschiedene Arten von Kondensatoren, wie z. B. Elektrolytkondensatoren, Folienkondensatoren, Keramikkondensatoren usw. Dann gibt es innerhalb derselben Art verschiedene dielektrische Materialien.Es gibt auch verschiedene Klassen.Was die physikalische Struktur betrifft, gibt es Kondensatortypen mit zwei und drei Anschlüssen.Es gibt auch einen Kondensator vom Typ X2Y, bei dem es sich im Wesentlichen um ein Paar Y-Kondensatoren handelt, die in einem gekapselt sind.Was ist mit Superkondensatoren? „Tatsache ist: Wenn Sie sich hinsetzen und anfangen, Leitfäden zur Auswahl von Kondensatoren großer Hersteller zu lesen, können Sie problemlos den ganzen Tag verbringen!
Da es in diesem Artikel um die Grundlagen geht, werde ich wie üblich eine andere Methode verwenden. Wie bereits erwähnt, sind Leitfäden zur Auswahl von Kondensatoren leicht auf den Lieferanten-Websites 3 und 4 zu finden, und Außendiensttechniker können in der Regel die meisten Fragen zu Kondensatoren beantworten. In diesem Artikel Ich werde nicht wiederholen, was Sie im Internet finden können, sondern anhand praktischer Beispiele zeigen, wie man Kondensatoren auswählt und verwendet. Einige weniger bekannte Aspekte der Kondensatorauswahl, wie z. B. die Verschlechterung der Kapazität, werden ebenfalls behandelt. Nach der Lektüre dieses Artikels werden Sie Sie sollten über gute Kenntnisse im Umgang mit Kondensatoren verfügen.
Als ich vor Jahren in einem Unternehmen arbeitete, das elektronische Geräte herstellte, hatten wir eine Frage im Vorstellungsgespräch an einen Ingenieur für Leistungselektronik. Auf dem schematischen Diagramm des vorhandenen Produkts werden wir potenzielle Kandidaten fragen: „Welche Funktion hat der DC-Link-Elektrolyt?“ Kondensator?"und „Welche Funktion hat der Keramikkondensator neben dem Chip?“Wir hoffen, dass die richtige Antwort lautet: DC-Bus-Kondensator. Zur Energiespeicherung werden Keramikkondensatoren zur Filterung verwendet.
Die „richtige“ Antwort, die wir suchen, zeigt tatsächlich, dass jeder im Designteam Kondensatoren aus der Perspektive einer einfachen Schaltung und nicht aus der Perspektive der Feldtheorie betrachtet. Der Standpunkt der Schaltungstheorie ist nicht falsch. Bei niedrigen Frequenzen (ab einigen kHz). Die Schaltungstheorie kann das Problem normalerweise gut erklären. Dies liegt daran, dass sich das Signal bei niedrigeren Frequenzen hauptsächlich im Differenzmodus befindet. Mithilfe der Schaltungstheorie können wir den in Abbildung 1 gezeigten Kondensator sehen, bei dem der äquivalente Serienwiderstand ( ESR) und äquivalente Serieninduktivität (ESL) bewirken, dass sich die Impedanz des Kondensators mit der Frequenz ändert.
Dieses Modell erklärt vollständig die Schaltungsleistung, wenn die Schaltung langsam geschaltet wird. Mit zunehmender Frequenz werden die Dinge jedoch immer komplizierter. Irgendwann zeigt die Komponente Nichtlinearität. Wenn die Frequenz zunimmt, wird das einfache LCR-Modell verwendet hat seine Grenzen.
Wenn mir heute die gleiche Interviewfrage gestellt würde, würde ich meine Feldtheorie-Beobachtungsbrille aufsetzen und sagen, dass beide Kondensatortypen Energiespeicher sind. Der Unterschied besteht darin, dass Elektrolytkondensatoren mehr Energie speichern können als Keramikkondensatoren. Aber in Bezug auf die Energieübertragung Keramikkondensatoren können Energie schneller übertragen. Dies erklärt, warum Keramikkondensatoren neben dem Chip platziert werden müssen, da der Chip im Vergleich zum Hauptstromkreis eine höhere Schaltfrequenz und Schaltgeschwindigkeit aufweist.
Aus dieser Perspektive können wir einfach zwei Leistungsstandards für Kondensatoren definieren. Der eine ist, wie viel Energie der Kondensator speichern kann, und der andere, wie schnell diese Energie übertragen werden kann. Beide hängen von der Herstellungsmethode des Kondensators, dem dielektrischen Material, die Verbindung mit dem Kondensator usw.
Wenn der Schalter im Stromkreis geschlossen ist (siehe Abbildung 2), zeigt dies an, dass die Last Energie von der Stromquelle benötigt. Die Geschwindigkeit, mit der dieser Schalter schließt, bestimmt die Dringlichkeit des Energiebedarfs. Da sich Energie mit Lichtgeschwindigkeit (halb) fortbewegt Die Lichtgeschwindigkeit in FR4-Materialien ist höher als die Lichtgeschwindigkeit in FR4-Materialien), die Energieübertragung dauert einige Zeit. Darüber hinaus besteht ein Impedanzungleichgewicht zwischen der Quelle, der Übertragungsleitung und der Last. Dies bedeutet, dass Energie nie auf einmal übertragen wird, sondern auf mehreren Roundtrips5, weshalb wir bei schnellem Schalten des Schalters Verzögerungen und Klingeln in der Schaltwellenform sehen.
Abbildung 2: Es braucht Zeit, bis sich Energie im Raum ausbreitet;Eine Impedanzfehlanpassung führt zu mehreren Hin- und Rückläufen der Energieübertragung.
Die Tatsache, dass die Energieübertragung Zeit und mehrere Hin- und Rückläufe erfordert, zeigt uns, dass wir die Energiequelle so nah wie möglich an der Last platzieren und einen Weg finden müssen, die Energie schnell zu übertragen. Das erste wird normalerweise durch die Reduzierung des physischen Aufwands erreicht Abstand zwischen Last, Schalter und Kondensator. Letzteres wird durch die Zusammenstellung einer Gruppe von Kondensatoren mit der kleinsten Impedanz erreicht.
Die Feldtheorie erklärt auch, was Gleichtaktrauschen verursacht. Kurz gesagt, Gleichtaktrauschen entsteht, wenn der Energiebedarf der Last während des Schaltens nicht gedeckt wird. Daher wird die im Raum zwischen der Last und nahegelegenen Leitern gespeicherte Energie zur Unterstützung bereitgestellt die Stufenanforderung. Der Raum zwischen der Last und benachbarten Leitern wird als parasitäre/gegenseitige Kapazität bezeichnet (siehe Abbildung 2).
Anhand der folgenden Beispiele demonstrieren wir den Einsatz von Elektrolytkondensatoren, Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) und Folienkondensatoren. Sowohl die Schaltungs- als auch die Feldtheorie werden verwendet, um die Leistung ausgewählter Kondensatoren zu erklären.
Elektrolytkondensatoren werden hauptsächlich im Zwischenkreis als Hauptenergiequelle eingesetzt. Die Wahl des Elektrolytkondensators hängt häufig ab von:
Für die EMV-Leistung sind die Impedanz- und Frequenzeigenschaften die wichtigsten Eigenschaften von Kondensatoren. Niederfrequente leitungsgebundene Emissionen hängen immer von der Leistung des Zwischenkreiskondensators ab.
Die Impedanz des Gleichstromzwischenkreises hängt nicht nur vom ESR und ESL des Kondensators ab, sondern auch von der Fläche der Wärmeschleife, wie in Abbildung 3 dargestellt. Eine größere Fläche der Wärmeschleife bedeutet, dass die Energieübertragung länger dauert, also die Leistung wird betroffen sein.
Um dies zu beweisen, wurde ein DC-DC-Abwärtswandler gebaut. Der in Abbildung 4 dargestellte EMV-Testaufbau vor der Konformität führt einen leitungsgebundenen Emissionsscan zwischen 150 kHz und 108 MHz durch.
Es ist wichtig sicherzustellen, dass die in dieser Fallstudie verwendeten Kondensatoren alle vom selben Hersteller stammen, um Unterschiede in den Impedanzeigenschaften zu vermeiden. Achten Sie beim Löten des Kondensators auf der Leiterplatte darauf, dass keine langen Leitungen vorhanden sind, da dies die ESL erhöht Der Kondensator. Abbildung 5 zeigt die drei Konfigurationen.
Die leitungsgebundenen Emissionsergebnisse dieser drei Konfigurationen sind in Abbildung 6 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die beiden 330 µF-Kondensatoren im Vergleich zu einem einzelnen 680-µF-Kondensator eine Rauschunterdrückungsleistung von 6 dB über einen größeren Frequenzbereich erzielen.
Aus der Schaltungstheorie lässt sich sagen, dass durch die Parallelschaltung zweier Kondensatoren sowohl ESL als auch ESR halbiert werden. Aus feldtheoretischer Sicht gibt es nicht nur eine Energiequelle, sondern es werden zwei Energiequellen derselben Last zugeführt Dadurch wird die gesamte Energieübertragungszeit effektiv verkürzt. Bei höheren Frequenzen verringert sich jedoch der Unterschied zwischen zwei 330-µF-Kondensatoren und einem 680-µF-Kondensator. Dies liegt daran, dass hochfrequentes Rauschen auf eine unzureichende Schrittenergiereaktion hinweist Mit dem Schalter verkürzen wir die Energieübertragungszeit, was die Sprungantwort des Kondensators effektiv erhöht.
Das Ergebnis lehrt uns eine sehr wichtige Lektion. Eine Erhöhung der Kapazität eines einzelnen Kondensators wird im Allgemeinen nicht den Stufenbedarf nach mehr Energie decken. Wenn möglich, verwenden Sie einige kleinere kapazitive Komponenten. Dafür gibt es viele gute Gründe. Der erste sind die Kosten. Im Allgemeinen Bei gleicher Gehäusegröße steigen die Kosten eines Kondensators exponentiell mit dem Kapazitätswert. Die Verwendung eines einzelnen Kondensators kann teurer sein als die Verwendung mehrerer kleinerer Kondensatoren. Der zweite Grund ist die Größe. Der begrenzende Faktor beim Produktdesign ist normalerweise die Höhe der Komponenten. Bei Kondensatoren mit großer Kapazität ist die Höhe oft zu groß für das Produktdesign. Der dritte Grund ist die EMV-Leistung, die wir in der Fallstudie gesehen haben.
Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor bei der Verwendung eines Elektrolytkondensators ist, dass Sie einen Ausgleichswiderstand 6 benötigen, wenn Sie zwei Kondensatoren in Reihe schalten, um die Spannung zu teilen.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei Keramikkondensatoren um Miniaturgeräte, die schnell Energie liefern können. Mir wird oft die Frage gestellt: „Wie viel Kondensator benötige ich?“ Die Antwort auf diese Frage lautet, dass der Kapazitätswert bei Keramikkondensatoren nicht so wichtig sein sollte. Die wichtige Überlegung besteht hier darin, zu bestimmen, bei welcher Frequenz die Energieübertragungsgeschwindigkeit für Ihre Anwendung ausreicht. Wenn die leitungsgebundene Emission bei 100 MHz ausfällt, ist der Kondensator mit der kleinsten Impedanz bei 100 MHz eine gute Wahl.
Dies ist ein weiteres Missverständnis von MLCC. Ich habe gesehen, wie Ingenieure viel Energie darauf verwendet haben, Keramikkondensatoren mit dem niedrigsten ESR und ESL auszuwählen, bevor sie die Kondensatoren über lange Leiterbahnen mit dem HF-Referenzpunkt verbinden. Es ist erwähnenswert, dass der ESL von MLCC normalerweise sehr hoch ist niedriger als die Anschlussinduktivität auf der Platine. Die Anschlussinduktivität ist immer noch der wichtigste Parameter, der die Hochfrequenzimpedanz von Keramikkondensatoren beeinflusst7.
Abbildung 7 zeigt ein schlechtes Beispiel. Lange Leiterbahnen (0,5 Zoll lang) führen zu einer Induktivität von mindestens 10 nH. Das Simulationsergebnis zeigt, dass die Impedanz des Kondensators am Frequenzpunkt (50 MHz) viel höher wird als erwartet.
Eines der Probleme bei MLCCs besteht darin, dass sie dazu neigen, mit der induktiven Struktur auf der Platine in Resonanz zu treten. Dies ist im Beispiel in Abbildung 8 zu sehen, wo die Verwendung eines 10-µF-MLCC eine Resonanz bei etwa 300 kHz verursacht.
Sie können die Resonanz reduzieren, indem Sie eine Komponente mit einem größeren ESR wählen oder einfach einen kleinen Widerstand (z. B. 1 Ohm) in Reihe mit einem Kondensator schalten. Bei dieser Methode werden verlustbehaftete Komponenten verwendet, um das System zu unterdrücken. Eine andere Methode besteht darin, eine andere Kapazität zu verwenden Wert, um die Resonanz auf einen niedrigeren oder höheren Resonanzpunkt zu verschieben.
Folienkondensatoren werden in vielen Anwendungen verwendet. Sie sind die Kondensatoren der Wahl für Hochleistungs-DC/DC-Wandler und werden als EMI-Unterdrückungsfilter über Stromleitungen (AC und DC) und Gleichtaktfilterkonfigurationen verwendet. Wir nehmen einen X-Kondensator als Ein Beispiel zur Veranschaulichung einiger Hauptpunkte der Verwendung von Folienkondensatoren.
Wenn ein Überspannungsereignis auftritt, trägt es dazu bei, die Spitzenspannungsbelastung auf der Leitung zu begrenzen. Daher wird es normalerweise mit einem Überspannungsschutz (TVS) oder einem Metalloxid-Varistor (MOV) verwendet.
Das alles wissen Sie vielleicht schon, aber wussten Sie, dass der Kapazitätswert eines X-Kondensators bei jahrelangem Gebrauch erheblich abnehmen kann? Dies gilt insbesondere dann, wenn der Kondensator in einer feuchten Umgebung verwendet wird. Ich habe den Kapazitätswert von gesehen Der X-Kondensator fällt innerhalb von ein oder zwei Jahren nur auf wenige Prozent seines Nennwerts ab, sodass das ursprünglich mit dem X-Kondensator entwickelte System tatsächlich den gesamten Schutz verloren hat, den der Front-End-Kondensator möglicherweise hätte.
Was ist also passiert? Feuchtigkeitsluft kann in den Kondensator, über den Draht und zwischen der Box und der Epoxidharz-Vergussmasse eindringen. Die Aluminiummetallisierung kann dann oxidiert werden. Aluminiumoxid ist ein guter elektrischer Isolator und verringert dadurch die Kapazität. Dies ist ein Problem Das Problem tritt bei allen Filmkondensatoren auf. Das Problem, über das ich spreche, ist die Filmdicke. Renommierte Kondensatormarken verwenden dickere Filme, was zu größeren Kondensatoren als andere Marken führt. Der dünnere Film macht den Kondensator weniger robust gegenüber Überlastung (Spannung, Strom oder Temperatur). und es ist unwahrscheinlich, dass es sich selbst heilt.
Wenn der Kondensator Dann können Sie einen dünneren Kondensator wählen.
Wenn der Kondensator jedoch dauerhaft an die Stromquelle angeschlossen ist, muss er äußerst zuverlässig sein. Die Oxidation von Kondensatoren ist nicht unvermeidlich. Wenn das Epoxidmaterial des Kondensators von guter Qualität ist und der Kondensator nicht oft extremen Temperaturen ausgesetzt wird, kann es zu einem Abfall kommen Der Wert sollte minimal sein.
In diesem Artikel wird zunächst die feldtheoretische Sichtweise von Kondensatoren vorgestellt. Praktische Beispiele und Simulationsergebnisse zeigen, wie die gängigsten Kondensatortypen ausgewählt und verwendet werden. Ich hoffe, diese Informationen können Ihnen dabei helfen, die Rolle von Kondensatoren im Elektronik- und EMV-Design umfassender zu verstehen.
Dr. Min Zhang ist der Gründer und leitende EMV-Berater von Mach One Design Ltd, einem in Großbritannien ansässigen Ingenieurunternehmen, das sich auf EMV-Beratung, Fehlerbehebung und Schulung spezialisiert hat. Dabei kommt ihm sein fundiertes Wissen in den Bereichen Leistungselektronik, digitale Elektronik, Motoren und Produktdesign zugute Unternehmen auf der ganzen Welt.
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