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I condensatori sono uno dei componenti più comunemente utilizzati sui circuiti stampati. Poiché il numero di dispositivi elettronici (dai telefoni cellulari alle automobili) continua ad aumentare, aumenta anche la domanda di condensatori. La pandemia di Covid 19 ha interrotto la catena di fornitura globale dei componenti, dai semiconduttori ai componenti passivi, e i condensatori scarseggiano1.
Le discussioni sul tema dei condensatori possono essere facilmente trasformate in un libro o in un dizionario. Innanzitutto, esistono diversi tipi di condensatori, come condensatori elettrolitici, condensatori a film, condensatori ceramici e così via. Poi, nella stessa tipologia, esistono materiali dielettrici diversi. Ci sono anche diverse classi. Per quanto riguarda la struttura fisica, esistono tipi di condensatori a due e tre terminali. C'è anche un condensatore di tipo X2Y, che è essenzialmente una coppia di condensatori Y incapsulati in uno. E i supercondensatori? Il fatto è che se ti siedi e inizi a leggere le guide alla selezione dei condensatori dei principali produttori, puoi facilmente passare la giornata!
Poiché questo articolo riguarda le nozioni di base, utilizzerò un metodo diverso come al solito. Come accennato in precedenza, le guide alla selezione dei condensatori possono essere facilmente reperite sui siti Web dei fornitori 3 e 4 e i tecnici sul campo in genere possono rispondere alla maggior parte delle domande sui condensatori. In questo articolo non ripeterò quello che puoi trovare su Internet, ma ti dimostrerò come scegliere e utilizzare i condensatori attraverso esempi pratici. Verranno trattati anche alcuni aspetti meno noti della scelta dei condensatori, come il degrado della capacità. Dopo aver letto questo articolo, dovresti avere una buona conoscenza dell'uso dei condensatori.
Anni fa, quando lavoravo in un'azienda che produceva apparecchiature elettroniche, avevamo una domanda per un colloquio per un ingegnere elettronico di potenza. Sul diagramma schematico del prodotto esistente, chiederemo ai potenziali candidati "Qual è la funzione del condensatore elettrolitico del collegamento CC?" e "Qual è la funzione del condensatore ceramico situato accanto al chip?" Ci auguriamo che la risposta corretta sia il condensatore del bus CC Utilizzati per l'accumulo di energia, i condensatori ceramici vengono utilizzati per il filtraggio.
La risposta “corretta” che cerchiamo mostra in realtà che tutti i membri del team di progettazione guardano ai condensatori dal punto di vista del semplice circuito, non dal punto di vista della teoria del campo. Il punto di vista della teoria dei circuiti non è sbagliato. Alle basse frequenze (da pochi kHz a pochi MHz), la teoria dei circuiti di solito può spiegare bene il problema. Questo perché alle frequenze più basse il segnale è principalmente in modalità differenziale. Utilizzando la teoria dei circuiti, possiamo vedere il condensatore mostrato nella Figura 1, dove la resistenza in serie equivalente (ESR) e l'induttanza in serie equivalente (ESL) fanno cambiare l'impedenza del condensatore con la frequenza.
Questo modello spiega completamente le prestazioni del circuito quando il circuito viene commutato lentamente. Tuttavia, man mano che la frequenza aumenta, le cose diventano sempre più complicate. Ad un certo punto, il componente inizia a mostrare non linearità. Quando la frequenza aumenta, il modello LCR semplice presenta i suoi limiti.
Oggi, se mi venisse posta la stessa domanda nell’intervista, indosserei i miei occhiali per l’osservazione della teoria dei campi e direi che entrambi i tipi di condensatori sono dispositivi di accumulo di energia. La differenza è che i condensatori elettrolitici possono immagazzinare più energia rispetto ai condensatori ceramici. Ma in termini di trasmissione di energia, i condensatori ceramici possono trasmettere energia più velocemente. Ciò spiega perché i condensatori ceramici devono essere posizionati accanto al chip, poiché il chip ha una frequenza e una velocità di commutazione più elevate rispetto al circuito di alimentazione principale.
Da questo punto di vista, possiamo semplicemente definire due standard prestazionali per i condensatori. Uno è la quantità di energia che il condensatore può immagazzinare e l'altro è la velocità con cui questa energia può essere trasferita. Entrambi dipendono dal metodo di fabbricazione del condensatore, dal materiale dielettrico, dal collegamento con il condensatore e così via.
Quando l'interruttore nel circuito è chiuso (vedere Figura 2), indica che il carico necessita di energia dalla fonte di alimentazione. La velocità con cui questo interruttore si chiude determina l’urgenza della domanda di energia. Poiché l’energia viaggia alla velocità della luce (metà della velocità della luce nei materiali FR4), ci vuole tempo per trasferire energia. Inoltre, esiste un disadattamento di impedenza tra la sorgente, la linea di trasmissione e il carico. Ciò significa che l'energia non verrà mai trasferita in un viaggio, ma in più viaggi di andata e ritorno5, motivo per cui quando l'interruttore viene commutato rapidamente, vedremo ritardi e squilli nella forma d'onda di commutazione.
Figura 2: Ci vuole tempo perché l'energia si propaghi nello spazio; il disadattamento di impedenza causa più viaggi di andata e ritorno di trasferimento di energia.
Il fatto che la fornitura di energia richieda tempo e numerosi viaggi di andata e ritorno ci dice che dobbiamo spostare l’energia il più vicino possibile al carico e dobbiamo trovare un modo per consegnarla rapidamente. Il primo si ottiene solitamente riducendo la distanza fisica tra carico, interruttore e condensatore. Quest'ultimo si ottiene raggruppando un gruppo di condensatori con l'impedenza più piccola.
La teoria dei campi spiega anche le cause del rumore di modo comune. In breve, il rumore di modo comune viene generato quando la richiesta di energia del carico non viene soddisfatta durante la commutazione. Pertanto, l'energia immagazzinata nello spazio tra il carico e i conduttori vicini verrà fornita per supportare la richiesta del gradino. Lo spazio tra il carico e i conduttori vicini è ciò che chiamiamo capacità parassita/reciproca (vedere Figura 2).
Utilizziamo i seguenti esempi per dimostrare come utilizzare condensatori elettrolitici, condensatori ceramici multistrato (MLCC) e condensatori a film. Sia la teoria dei circuiti che quella del campo vengono utilizzate per spiegare le prestazioni dei condensatori selezionati.
I condensatori elettrolitici vengono utilizzati principalmente nel collegamento CC come principale fonte di energia. La scelta del condensatore elettrolitico spesso dipende da:
Per le prestazioni EMC, le caratteristiche più importanti dei condensatori sono l'impedenza e le caratteristiche di frequenza. Le emissioni condotte a bassa frequenza dipendono sempre dalle prestazioni del condensatore del collegamento CC.
L'impedenza del collegamento CC dipende non solo dall'ESR e dall'ESL del condensatore, ma anche dall'area del circuito termico, come mostrato nella Figura 3. Un'area del circuito termico più ampia significa che il trasferimento di energia richiede più tempo, quindi le prestazioni sarà influenzato.
Per dimostrarlo è stato costruito un convertitore DC-DC step-down. La configurazione del test EMC pre-conformità mostrata nella Figura 4 esegue una scansione delle emissioni condotte tra 150 kHz e 108 MHz.
È importante garantire che i condensatori utilizzati in questo caso di studio provengano tutti dallo stesso produttore per evitare differenze nelle caratteristiche di impedenza. Quando si salda il condensatore sul PCB, assicurarsi che non vi siano cavi lunghi, poiché ciò aumenterebbe l'ESL del condensatore. La Figura 5 mostra le tre configurazioni.
I risultati dell'emissione condotta di queste tre configurazioni sono mostrati nella Figura 6. Si può vedere che, rispetto a un singolo condensatore da 680 µF, i due condensatori da 330 µF raggiungono una prestazione di riduzione del rumore di 6 dB su una gamma di frequenze più ampia.
Dalla teoria del circuito si può dire che collegando due condensatori in parallelo sia l'ESL che l'ESR vengono dimezzati. Dal punto di vista della teoria del campo, non esiste una sola fonte di energia, ma due fonti di energia vengono fornite allo stesso carico, riducendo di fatto il tempo complessivo di trasmissione dell'energia. Tuttavia, a frequenze più elevate, la differenza tra due condensatori da 330 µF e un condensatore da 680 µF si ridurrà. Questo perché il rumore ad alta frequenza indica una risposta energetica al gradino insufficiente. Quando si avvicina un condensatore da 330 µF all'interruttore, si riduce il tempo di trasferimento dell'energia, aumentando di fatto la risposta al gradino del condensatore.
Il risultato ci insegna una lezione molto importante. L'aumento della capacità di un singolo condensatore generalmente non supporta la richiesta graduale di più energia. Se possibile, utilizzare alcuni componenti capacitivi più piccoli. Ci sono molte buone ragioni per questo. Il primo è il costo. In generale, a parità di dimensioni del contenitore, il costo di un condensatore aumenta esponenzialmente con il valore della capacità. L'utilizzo di un singolo condensatore può essere più costoso rispetto all'utilizzo di numerosi condensatori più piccoli. Il secondo motivo è la dimensione. Il fattore limitante nella progettazione del prodotto è solitamente l'altezza dei componenti. Per i condensatori di grande capacità, l'altezza è spesso troppo grande e non è adatta alla progettazione del prodotto. Il terzo motivo sono le prestazioni EMC che abbiamo osservato nel case study.
Un altro fattore da considerare quando si utilizza un condensatore elettrolitico è che quando si collegano due condensatori in serie per condividere la tensione, sarà necessario un resistore di bilanciamento 6.
Come accennato in precedenza, i condensatori ceramici sono dispositivi in ​​miniatura in grado di fornire rapidamente energia. Spesso mi viene posta la domanda "Quanto condensatore mi serve?" La risposta a questa domanda è che per i condensatori ceramici il valore della capacità non dovrebbe essere così importante. La considerazione importante qui è determinare a quale frequenza la velocità di trasferimento dell'energia è sufficiente per la propria applicazione. Se l'emissione condotta viene meno a 100 MHz, allora il condensatore con l'impedenza più piccola a 100 MHz sarà una buona scelta.
Questo è un altro malinteso del MLCC. Ho visto ingegneri spendere molta energia scegliendo condensatori ceramici con ESR ed ESL più bassi prima di collegare i condensatori al punto di riferimento RF attraverso lunghe tracce. Vale la pena ricordare che l'ESL dell'MLCC è solitamente molto inferiore all'induttanza di connessione sulla scheda. L'induttanza di connessione è ancora il parametro più importante che influenza l'impedenza ad alta frequenza dei condensatori ceramici7.
La Figura 7 mostra un cattivo esempio. Tracce lunghe (0,5 pollici di lunghezza) introducono un'induttanza di almeno 10 nH. Il risultato della simulazione mostra che l'impedenza del condensatore diventa molto più alta del previsto nel punto di frequenza (50 MHz).
Uno dei problemi con gli MLCC è che tendono a risuonare con la struttura induttiva della scheda. Ciò può essere visto nell'esempio mostrato nella Figura 8, dove l'uso di un MLCC da 10 µF introduce risonanza a circa 300 kHz.
Puoi ridurre la risonanza scegliendo un componente con una ESR più grande o semplicemente mettendo un resistore di piccolo valore (come 1 ohm) in serie con un condensatore. Questo tipo di metodo utilizza componenti con perdite per sopprimere il sistema. Un altro metodo consiste nell'utilizzare un altro valore di capacità per spostare la risonanza su un punto di risonanza inferiore o superiore.
I condensatori a film sono utilizzati in molte applicazioni. Sono i condensatori preferiti per i convertitori CC-CC ad alta potenza e vengono utilizzati come filtri di soppressione EMI sulle linee di alimentazione (CA e CC) e nelle configurazioni di filtraggio di modo comune. Prendiamo come esempio un condensatore X per illustrare alcuni dei punti principali dell'utilizzo dei condensatori a film.
Se si verifica un evento di sovratensione, aiuta a limitare la sollecitazione della tensione di picco sulla linea, quindi viene solitamente utilizzato con un soppressore di tensione transitoria (TVS) o un varistore a ossido di metallo (MOV).
Potresti già sapere tutto questo, ma sapevi che il valore di capacità di un condensatore X può essere significativamente ridotto con anni di utilizzo? Ciò è particolarmente vero se il condensatore viene utilizzato in un ambiente umido. Ho visto il valore di capacità del condensatore X scendere solo fino a una piccola percentuale del suo valore nominale entro un anno o due, quindi il sistema originariamente progettato con il condensatore X in realtà ha perso tutta la protezione che il condensatore front-end potrebbe avere.
Allora, cosa è successo? L'aria umida potrebbe penetrare nel condensatore, lungo il cavo e tra la scatola e il composto epossidico. La metallizzazione dell'alluminio può quindi essere ossidata. L'allumina è un buon isolante elettrico, riducendo così la capacità. Questo è un problema che incontreranno tutti i condensatori a film. Il problema di cui sto parlando è lo spessore del film. Le marche di condensatori più affidabili utilizzano pellicole più spesse, il che si traduce in condensatori più grandi rispetto ad altre marche. La pellicola più sottile rende il condensatore meno resistente ai sovraccarichi (tensione, corrente o temperatura) ed è improbabile che si ripari da solo.
Se il condensatore X non è collegato in modo permanente all'alimentazione, non devi preoccuparti. Ad esempio, per un prodotto che prevede un passaggio forzato tra l'alimentatore e il condensatore, le dimensioni potrebbero essere più importanti della durata e quindi è possibile scegliere un condensatore più sottile.
Tuttavia, se il condensatore è permanentemente collegato alla fonte di alimentazione, deve essere altamente affidabile. L'ossidazione dei condensatori non è inevitabile. Se il materiale epossidico del condensatore è di buona qualità e il condensatore non è spesso esposto a temperature estreme, il calo di valore dovrebbe essere minimo.
In questo articolo viene introdotta per la prima volta la teoria del campo dei condensatori. Esempi pratici e risultati delle simulazioni mostrano come selezionare e utilizzare i tipi di condensatori più comuni. Spero che queste informazioni possano aiutarti a comprendere in modo più completo il ruolo dei condensatori nella progettazione elettronica ed EMC.
Il Dott. Min Zhang è il fondatore e capo consulente EMC di Mach One Design Ltd, una società di ingegneria con sede nel Regno Unito specializzata in consulenza, risoluzione dei problemi e formazione EMC. La sua conoscenza approfondita dell'elettronica di potenza, dell'elettronica digitale, dei motori e della progettazione di prodotti ha apportato vantaggi ad aziende di tutto il mondo.
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