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Os capacitores são um dos componentes mais comumente usados ​​em placas de circuito.À medida que o número de dispositivos eletrônicos (de telefones celulares a carros) continua a aumentar, também aumenta a demanda por capacitores.A pandemia de Covid 19 perturbou a cadeia global de fornecimento de componentes, desde semicondutores a componentes passivos, e os condensadores têm estado em falta1.
As discussões sobre o tema capacitores podem ser facilmente transformadas em um livro ou dicionário.Primeiro, existem diferentes tipos de capacitores, como capacitores eletrolíticos, capacitores de filme, capacitores cerâmicos e assim por diante.Então, no mesmo tipo, existem diferentes materiais dielétricos.Existem também aulas diferentes.Quanto à estrutura física, existem tipos de capacitores de dois e três terminais.Há também um capacitor do tipo X2Y, que é essencialmente um par de capacitores Y encapsulados em um.E os supercapacitores?O fato é que se você sentar e começar a ler os guias de seleção de capacitores dos principais fabricantes, poderá facilmente passar o dia!
Como este artigo é sobre o básico, usarei um método diferente do usual.Conforme mencionado anteriormente, os guias de seleção de capacitores podem ser facilmente encontrados nos sites dos fornecedores 3 e 4, e os engenheiros de campo geralmente podem responder à maioria das perguntas sobre capacitores.Neste artigo não vou repetir o que você encontra na Internet, mas vou demonstrar como escolher e utilizar capacitores através de exemplos práticos.Alguns aspectos menos conhecidos da seleção de capacitores, como a degradação da capacitância, também serão abordados.Depois de ler este artigo, você deverá ter um bom entendimento do uso de capacitores.
Anos atrás, quando eu trabalhava em uma empresa que fabricava equipamentos eletrônicos, recebemos uma pergunta para uma entrevista para um engenheiro de eletrônica de potência.No diagrama esquemático do produto existente, perguntaremos aos potenciais candidatos “Qual é a função do capacitor eletrolítico do barramento CC?”e “Qual a função do capacitor cerâmico localizado próximo ao chip?”Esperamos que a resposta correta seja o capacitor de barramento CC. Usado para armazenamento de energia, capacitores cerâmicos são usados ​​para filtragem.
A resposta “correta” que buscamos mostra, na verdade, que todos na equipe de projeto olham para os capacitores de uma perspectiva de circuito simples, não de uma perspectiva de teoria de campo.O ponto de vista da teoria dos circuitos não está errado.Em baixas frequências (de alguns kHz a alguns MHz), a teoria dos circuitos geralmente pode explicar bem o problema.Isso ocorre porque em frequências mais baixas o sinal está principalmente no modo diferencial.Usando a teoria dos circuitos, podemos ver o capacitor mostrado na Figura 1, onde a resistência em série equivalente (ESR) e a indutância em série equivalente (ESL) fazem a impedância do capacitor mudar com a frequência.
Este modelo explica completamente o desempenho do circuito quando o circuito é comutado lentamente.No entanto, à medida que a frequência aumenta, as coisas ficam cada vez mais complicadas.Em algum momento, o componente começa a apresentar não linearidade.Quando a frequência aumenta, o modelo LCR simples tem suas limitações.
Hoje, se me fizessem a mesma pergunta da entrevista, eu usaria meus óculos de observação de teoria de campo e diria que ambos os tipos de capacitores são dispositivos de armazenamento de energia.A diferença é que os capacitores eletrolíticos podem armazenar mais energia do que os capacitores cerâmicos.Mas em termos de transmissão de energia, os capacitores cerâmicos podem transmitir energia mais rapidamente.Isso explica por que os capacitores cerâmicos precisam ser colocados próximos ao chip, porque o chip tem uma frequência e velocidade de comutação mais altas em comparação com o circuito de alimentação principal.
Desta perspectiva, podemos simplesmente definir dois padrões de desempenho para capacitores.Uma é a quantidade de energia que o capacitor pode armazenar e a outra é a rapidez com que essa energia pode ser transferida.Ambos dependem do método de fabricação do capacitor, do material dielétrico, da conexão com o capacitor e assim por diante.
Quando a chave do circuito está fechada (ver Figura 2), indica que a carga precisa de energia da fonte de alimentação.A velocidade com que esta chave fecha determina a urgência da demanda de energia.Como a energia viaja à velocidade da luz (metade da velocidade da luz nos materiais FR4), leva tempo para transferir energia.Além disso, existe uma incompatibilidade de impedância entre a fonte e a linha de transmissão e a carga.Isso significa que a energia nunca será transferida em uma viagem, mas em múltiplas viagens de ida e volta5, e é por isso que quando a chave é trocada rapidamente, veremos atrasos e toques na forma de onda de comutação.
Figura 2: A energia leva tempo para se propagar no espaço;a incompatibilidade de impedância causa vários ciclos de transferência de energia.
O facto de o fornecimento de energia levar tempo e realizar múltiplas viagens de ida e volta diz-nos que precisamos de transportar a energia o mais próximo possível da carga e que precisamos de encontrar uma forma de entregá-la rapidamente.O primeiro geralmente é conseguido reduzindo a distância física entre a carga, a chave e o capacitor.Este último é conseguido reunindo um grupo de capacitores com a menor impedância.
A teoria de campo também explica o que causa o ruído de modo comum.Resumindo, o ruído de modo comum é gerado quando a demanda de energia da carga não é atendida durante a comutação.Portanto, a energia armazenada no espaço entre a carga e os condutores próximos será fornecida para suportar a demanda do degrau.O espaço entre a carga e os condutores próximos é o que chamamos de capacitância parasita/mútua (veja a Figura 2).
Usamos os exemplos a seguir para demonstrar como usar capacitores eletrolíticos, capacitores cerâmicos multicamadas (MLCC) e capacitores de filme.Tanto a teoria de circuito quanto a de campo são usadas para explicar o desempenho dos capacitores selecionados.
Os capacitores eletrolíticos são usados ​​principalmente no link CC como principal fonte de energia.A escolha do capacitor eletrolítico geralmente depende de:
Para desempenho EMC, as características mais importantes dos capacitores são características de impedância e frequência.As emissões conduzidas em baixa frequência dependem sempre do desempenho do capacitor do barramento CC.
A impedância do link CC depende não apenas da ESR e ESL do capacitor, mas também da área do circuito térmico, conforme mostrado na Figura 3. Uma área maior do circuito térmico significa que a transferência de energia demora mais, portanto o desempenho será afetado.
Um conversor DC-DC abaixador foi construído para provar isso.A configuração de teste EMC de pré-conformidade mostrada na Figura 4 realiza uma varredura de emissão conduzida entre 150kHz e 108MHz.
É importante garantir que os capacitores utilizados neste estudo de caso sejam todos do mesmo fabricante para evitar diferenças nas características de impedância.Ao soldar o capacitor na placa de circuito impresso, certifique-se de que não haja cabos longos, pois isso aumentará o ESL do capacitor.A Figura 5 mostra as três configurações.
Os resultados de emissão conduzida destas três configurações são mostrados na Figura 6. Pode-se observar que, comparado com um único capacitor de 680 µF, os dois capacitores de 330 µF alcançam um desempenho de redução de ruído de 6 dB em uma faixa de frequência mais ampla.
A partir da teoria do circuito, pode-se dizer que ao conectar dois capacitores em paralelo, tanto o ESL quanto o ESR são reduzidos pela metade.Do ponto de vista da teoria de campo, não existe apenas uma fonte de energia, mas duas fontes de energia são fornecidas à mesma carga, reduzindo efetivamente o tempo total de transmissão de energia.No entanto, em frequências mais altas, a diferença entre dois capacitores de 330 µF e um capacitor de 680 µF diminuirá.Isso ocorre porque o ruído de alta frequência indica resposta insuficiente de energia de degrau.Ao aproximar um capacitor de 330 µF da chave, reduzimos o tempo de transferência de energia, o que efetivamente aumenta a resposta ao degrau do capacitor.
O resultado nos diz uma lição muito importante.Aumentar a capacitância de um único capacitor geralmente não suportará a demanda escalonada por mais energia.Se possível, use alguns componentes capacitivos menores.Existem muitas boas razões para isso.O primeiro é o custo.De modo geral, para o mesmo tamanho de pacote, o custo de um capacitor aumenta exponencialmente com o valor da capacitância.Usar um único capacitor pode ser mais caro do que usar vários capacitores menores.A segunda razão é o tamanho.O fator limitante no design do produto geralmente é a altura dos componentes.Para capacitores de grande capacidade, a altura costuma ser muito grande, o que não é adequado para o design do produto.A terceira razão é o desempenho da EMC que vimos no estudo de caso.
Outro fator a considerar ao usar um capacitor eletrolítico é que ao conectar dois capacitores em série para compartilhar a tensão, você precisará de um resistor de balanceamento 6.
Conforme mencionado anteriormente, os capacitores cerâmicos são dispositivos em miniatura que podem fornecer energia rapidamente.Muitas vezes me perguntam “De quanto capacitor eu preciso?”A resposta a esta pergunta é que para capacitores cerâmicos, o valor da capacitância não deveria ser tão importante.A consideração importante aqui é determinar em qual frequência a velocidade de transferência de energia é suficiente para sua aplicação.Se a emissão conduzida falhar em 100 MHz, então o capacitor com menor impedância em 100 MHz será uma boa escolha.
Este é outro mal-entendido do MLCC.Já vi engenheiros gastando muita energia escolhendo capacitores cerâmicos com ESR e ESL mais baixos antes de conectar os capacitores ao ponto de referência de RF por meio de longos traços.Vale ressaltar que o ESL do MLCC costuma ser bem menor que a indutância de conexão na placa.A indutância de conexão ainda é o parâmetro mais importante que afeta a impedância de alta frequência dos capacitores cerâmicos7.
A Figura 7 mostra um mau exemplo.Traços longos (0,5 polegadas de comprimento) introduzem indutância de pelo menos 10nH.O resultado da simulação mostra que a impedância do capacitor fica muito maior do que o esperado no ponto de frequência (50 MHz).
Um dos problemas dos MLCCs é que eles tendem a ressoar com a estrutura indutiva do conselho.Isso pode ser visto no exemplo mostrado na Figura 8, onde o uso de um MLCC de 10 µF introduz ressonância em aproximadamente 300 kHz.
Você pode reduzir a ressonância escolhendo um componente com um ESR maior ou simplesmente colocando um resistor de valor pequeno (como 1 ohm) em série com um capacitor.Este tipo de método usa componentes com perdas para suprimir o sistema.Outro método é usar outro valor de capacitância para mover a ressonância para um ponto de ressonância inferior ou superior.
Capacitores de filme são usados ​​em muitas aplicações.Eles são os capacitores preferidos para conversores CC-CC de alta potência e são usados ​​como filtros de supressão de EMI em linhas de energia (CA e CC) e configurações de filtragem de modo comum.Tomamos um capacitor X como exemplo para ilustrar alguns dos principais pontos do uso de capacitores de filme.
Se ocorrer um evento de surto, isso ajuda a limitar o estresse de pico de tensão na linha, por isso geralmente é usado com um supressor de tensão transitória (TVS) ou varistor de óxido metálico (MOV).
Você já deve saber de tudo isso, mas sabia que o valor da capacitância de um capacitor X pode ser reduzido significativamente com anos de uso?Isto é especialmente verdadeiro se o capacitor for usado em um ambiente úmido.Eu vi o valor da capacitância do capacitor X cair apenas para uma pequena porcentagem de seu valor nominal dentro de um ano ou dois, então o sistema originalmente projetado com o capacitor X realmente perdeu toda a proteção que o capacitor frontal poderia ter.
Então o que aconteceu?A umidade do ar pode vazar para dentro do capacitor, subindo pelo fio e entre a caixa e o composto de encapsulamento epóxi.A metalização do alumínio pode então ser oxidada.A alumina é um bom isolante elétrico, reduzindo assim a capacitância.Este é um problema que todos os capacitores de filme encontrarão.A questão de que estou falando é a espessura do filme.Marcas de capacitores respeitáveis ​​usam filmes mais espessos, resultando em capacitores maiores do que outras marcas.A película mais fina torna o capacitor menos robusto a sobrecargas (tensão, corrente ou temperatura) e é improvável que se recupere sozinho.
Se o capacitor X não estiver permanentemente conectado à fonte de alimentação, você não precisa se preocupar.Por exemplo, para um produto que possui uma chave rígida entre a fonte de alimentação e o capacitor, o tamanho pode ser mais importante que a vida, e então você pode escolher um capacitor mais fino.
No entanto, se o capacitor estiver permanentemente conectado à fonte de alimentação, ele deverá ser altamente confiável.A oxidação dos capacitores não é inevitável.Se o material epóxi do capacitor for de boa qualidade e o capacitor não for frequentemente exposto a temperaturas extremas, a queda no valor deverá ser mínima.
Neste artigo, apresentamos pela primeira vez a visão da teoria de campo dos capacitores.Exemplos práticos e resultados de simulação mostram como selecionar e usar os tipos de capacitores mais comuns.Espero que esta informação possa ajudá-lo a compreender o papel dos capacitores no projeto eletrônico e EMC de forma mais abrangente.
Dr. Min Zhang é o fundador e consultor-chefe de EMC da Mach One Design Ltd, uma empresa de engenharia com sede no Reino Unido especializada em consultoria, solução de problemas e treinamento em EMC.Seu profundo conhecimento em eletrônica de potência, eletrônica digital, motores e design de produtos beneficiou empresas em todo o mundo.
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