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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 componentes passivos e os capacitores têm sido escassos1.
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. materiais dielétricos.Existem também classes 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 passar o dia facilmente!
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 usar capacitores através de exemplos práticos. Alguns aspectos menos conhecidos da seleção de capacitores, como a degradação da capacitância, também serão abordados. deve ter um bom entendimento do uso de capacitores.
Anos atrás, quando eu trabalhava em uma empresa que fabricava equipamentos eletrônicos, tivemos 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 link CC eletrolítico? capacitor?" e “Qual é a função do capacitor cerâmico 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. 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 com que a impedância do capacitor mude 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. 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.
Dessa perspectiva, podemos simplesmente definir dois padrões de desempenho para capacitores. Um é quanta energia o capacitor pode armazenar e o outro é a rapidez com que essa energia pode ser transferida. Ambos dependem do método de fabricação do capacitor, do material dielétrico, a conexão com o capacitor e assim por diante.
Quando a chave do circuito é fechada (ver Figura 2), indica que a carga precisa de energia da fonte de energia. A velocidade com que essa chave fecha determina a urgência da demanda de energia. a velocidade da luz em materiais FR4), leva tempo para transferir energia. Além disso, há uma incompatibilidade de impedância entre a fonte e a linha de transmissão e a carga. viagens de ida e volta5, e é por isso que quando a chave muda rapidamente, vemos 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 fato de a transferência de energia levar tempo e ter várias viagens de ida e volta nos diz que precisamos localizar a fonte de energia o mais próximo possível da carga e que precisamos encontrar uma maneira de transferir energia rapidamente. distância 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. Em suma, o ruído de modo comum é gerado quando a demanda de energia da carga não é atendida durante a comutação. a demanda de passo. 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 o desempenho EMC, as características mais importantes dos capacitores são as características de impedância e frequência. As emissões conduzidas de baixa frequência sempre dependem 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 usados ​​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 de o 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.
Da teoria do circuito, pode-se dizer que ao conectar dois capacitores em paralelo, tanto o ESL quanto o ESR são reduzidos à metade. Do ponto de vista da teoria de campo, não há apenas uma fonte de energia, mas duas fontes de energia são fornecidas à mesma carga , reduzindo efetivamente o tempo geral 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. na 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. falando, 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. dos componentes.Para capacitores de grande capacidade, a altura geralmente é muito grande para o design do produto.A terceira razão é o desempenho de 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.
Como mencionado anteriormente, os capacitores cerâmicos são dispositivos em miniatura que podem fornecer energia rapidamente. Muitas vezes me perguntam “De quanto capacitor eu preciso?” 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 a menor impedância em 100 MHz será uma boa escolha.
Este é outro mal-entendido do MLCC. Tenho visto engenheiros gastando muita energia escolhendo capacitores cerâmicos com o ESR e ESL mais baixo antes de conectar os capacitores ao ponto de referência de RF através de longos traços. inferior à 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 se torna 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 da placa. 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 pequeno valor (como 1 ohm) em série com um capacitor. Este tipo de método usa componentes com perdas para suprimir o sistema. valor para mover a ressonância para um ponto de ressonância inferior ou superior.
Os capacitores de filme são usados ​​em muitas aplicações. Eles são os capacitores preferidos para conversores DC-DC de alta potência e são usados ​​como filtros de supressão EMI em linhas de energia (CA e CC) e configurações de filtragem de modo comum. um 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 significativamente reduzido com anos de uso?Isso é especialmente verdadeiro se o capacitor for usado em um ambiente úmido.Eu vi o valor da capacitância de o capacitor X cai apenas para uma pequena porcentagem de seu valor nominal dentro de um ou dois anos, 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 envasamento epóxi. A metalização do alumínio pode então ser oxidada. todos os capacitores de filme encontrarão. e é improvável que se cure 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 alternância 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 deve ser altamente confiável. A oxidação dos capacitores não é inevitável. o valor deve ser mínimo.
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.
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 foi beneficiado empresas em todo o mundo.
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