berita

Kapasitor adalah salah satu komponen yang paling biasa digunakan pada papan litar. Memandangkan bilangan peranti elektronik (dari telefon bimbit ke kereta) terus meningkat, begitu juga permintaan untuk kapasitor. Pandemik Covid 19 telah mengganggu rantaian bekalan komponen global daripada semikonduktor kepada komponen pasif, dan kapasitor telah kekurangan bekalan1.
Perbincangan mengenai topik kapasitor dengan mudah boleh diubah menjadi buku atau kamus. Pertama, terdapat pelbagai jenis kapasitor, seperti kapasitor elektrolitik, kapasitor filem, kapasitor seramik dan sebagainya. Kemudian, dalam jenis yang sama, terdapat bahan dielektrik yang berbeza. Terdapat juga kelas yang berbeza. Bagi struktur fizikal pula, terdapat jenis kapasitor dua terminal dan tiga terminal. Terdapat juga kapasitor jenis X2Y, yang pada asasnya adalah sepasang kapasitor Y yang terkandung dalam satu. Bagaimana dengan supercapacitors? Hakikatnya, jika anda duduk dan mula membaca panduan pemilihan kapasitor daripada pengeluar utama, anda boleh menghabiskan hari dengan mudah!
Oleh kerana artikel ini adalah mengenai asas, saya akan menggunakan kaedah yang berbeza seperti biasa. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, panduan pemilihan kapasitor boleh didapati dengan mudah di tapak web pembekal 3 dan 4, dan jurutera lapangan biasanya boleh menjawab kebanyakan soalan tentang kapasitor. Dalam artikel ini, saya tidak akan mengulangi apa yang anda boleh temui di Internet, tetapi akan menunjukkan cara memilih dan menggunakan kapasitor melalui contoh praktikal. Beberapa aspek pemilihan kapasitor yang kurang dikenali, seperti kemerosotan kapasitans, juga akan diliputi. Selepas membaca artikel ini, anda harus mempunyai pemahaman yang baik tentang penggunaan kapasitor.
Tahun lalu, semasa saya bekerja di sebuah syarikat yang membuat peralatan elektronik, kami mempunyai soalan temu duga untuk jurutera elektronik kuasa. Pada gambarajah skematik produk sedia ada, kami akan bertanya kepada calon berpotensi "Apakah fungsi kapasitor elektrolitik pautan DC?" dan "Apakah fungsi kapasitor seramik yang terletak di sebelah cip?" Kami berharap bahawa jawapan yang betul ialah kapasitor bas DC Digunakan untuk penyimpanan tenaga, kapasitor seramik digunakan untuk penapisan.
Jawapan "betul" yang kami cari sebenarnya menunjukkan bahawa semua orang dalam pasukan reka bentuk melihat kapasitor dari perspektif litar mudah, bukan dari perspektif teori medan. Sudut pandangan teori litar tidak salah. Pada frekuensi rendah (dari beberapa kHz hingga beberapa MHz), teori litar biasanya boleh menerangkan masalah dengan baik. Ini kerana pada frekuensi yang lebih rendah, isyarat terutamanya dalam mod pembezaan. Menggunakan teori litar, kita boleh melihat kapasitor yang ditunjukkan dalam Rajah 1, di mana rintangan siri setara (ESR) dan kearuhan siri setara (ESL) membuat impedans kapasitor berubah dengan kekerapan.
Model ini menerangkan sepenuhnya prestasi litar apabila litar dihidupkan dengan perlahan. Walau bagaimanapun, apabila kekerapan meningkat, perkara menjadi lebih rumit. Pada satu ketika, komponen mula menunjukkan tidak linear. Apabila kekerapan meningkat, model LCR mudah mempunyai hadnya.
Hari ini, jika saya ditanya soalan temu bual yang sama, saya akan memakai cermin mata pemerhatian teori medan saya dan mengatakan bahawa kedua-dua jenis kapasitor ialah peranti storan tenaga. Perbezaannya ialah kapasitor elektrolitik boleh menyimpan lebih banyak tenaga daripada kapasitor seramik. Tetapi dari segi penghantaran tenaga, kapasitor seramik boleh menghantar tenaga dengan lebih cepat. Ini menjelaskan mengapa kapasitor seramik perlu diletakkan di sebelah cip, kerana cip mempunyai frekuensi pensuisan dan kelajuan pensuisan yang lebih tinggi berbanding dengan litar kuasa utama.
Dari perspektif ini, kita hanya boleh menentukan dua piawaian prestasi untuk kapasitor. Satu ialah berapa banyak tenaga yang boleh disimpan oleh kapasitor, dan satu lagi ialah berapa cepat tenaga ini boleh dipindahkan. Kedua-duanya bergantung pada kaedah pembuatan kapasitor, bahan dielektrik, sambungan dengan kapasitor, dan sebagainya.
Apabila suis dalam litar ditutup (lihat Rajah 2), ia menunjukkan bahawa beban memerlukan tenaga daripada sumber kuasa. Kelajuan suis ini ditutup menentukan keperluan mendesak tenaga. Memandangkan tenaga bergerak pada kelajuan cahaya (separuh kelajuan cahaya dalam bahan FR4), ia mengambil masa untuk memindahkan tenaga. Di samping itu, terdapat ketidakpadanan impedans antara punca dan talian penghantaran dan beban. Ini bermakna tenaga tidak akan dipindahkan dalam satu perjalanan, tetapi dalam berbilang perjalanan pergi dan balik5, itulah sebabnya apabila suis ditukar dengan cepat, kita akan melihat kelewatan dan deringan dalam bentuk gelombang pensuisan.
Rajah 2: Ia mengambil masa untuk tenaga merambat di angkasa; ketidakpadanan impedans menyebabkan pelbagai perjalanan pergi dan balik pemindahan tenaga.
Hakikat bahawa penghantaran tenaga mengambil masa dan berbilang perjalanan pergi dan balik memberitahu kami bahawa kami perlu mengalihkan tenaga sedekat mungkin dengan beban dan kami perlu mencari cara untuk menghantarnya dengan cepat. Yang pertama biasanya dicapai dengan mengurangkan jarak fizikal antara beban, suis dan kapasitor. Yang terakhir ini dicapai dengan mengumpul sekumpulan kapasitor dengan impedans terkecil.
Teori medan juga menerangkan apa yang menyebabkan bunyi mod biasa. Ringkasnya, hingar mod biasa dijana apabila permintaan tenaga beban tidak dipenuhi semasa pensuisan. Oleh itu, tenaga yang disimpan dalam ruang antara beban dan konduktor berdekatan akan disediakan untuk menyokong permintaan langkah. Ruang antara beban dan konduktor berdekatan ialah apa yang kita panggil kemuatan parasit/mutual (lihat Rajah 2).
Kami menggunakan contoh berikut untuk menunjukkan cara menggunakan kapasitor elektrolitik, kapasitor seramik berbilang lapisan (MLCC) dan kapasitor filem. Kedua-dua teori litar dan medan digunakan untuk menerangkan prestasi kapasitor terpilih.
Kapasitor elektrolitik digunakan terutamanya dalam pautan DC sebagai sumber tenaga utama. Pilihan kapasitor elektrolitik sering bergantung kepada:
Untuk prestasi EMC, ciri kapasitor yang paling penting ialah ciri impedans dan frekuensi. Pelepasan yang dikendalikan frekuensi rendah sentiasa bergantung pada prestasi kapasitor pautan DC.
Impedans pautan DC bergantung bukan sahaja pada ESR dan ESL kapasitor, tetapi juga pada kawasan gelung haba, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Kawasan gelung haba yang lebih besar bermakna pemindahan tenaga mengambil masa yang lebih lama, jadi prestasi akan terjejas.
Penukar DC-DC step-down telah dibina untuk membuktikannya. Persediaan ujian EMC pra-pematuhan yang ditunjukkan dalam Rajah 4 melakukan imbasan pelepasan yang dijalankan antara 150kHz dan 108MHz.
Adalah penting untuk memastikan bahawa kapasitor yang digunakan dalam kajian kes ini semuanya daripada pengeluar yang sama untuk mengelakkan perbezaan dalam ciri impedans. Apabila memateri kapasitor pada PCB, pastikan tiada petunjuk panjang, kerana ini akan meningkatkan ESL kapasitor. Rajah 5 menunjukkan tiga konfigurasi.
Keputusan pelepasan yang dijalankan bagi ketiga-tiga konfigurasi ini ditunjukkan dalam Rajah 6. Dapat dilihat bahawa, berbanding dengan satu kapasitor 680 µF, dua kapasitor 330 µF mencapai prestasi pengurangan hingar sebanyak 6 dB pada julat frekuensi yang lebih luas.
Daripada teori litar, boleh dikatakan bahawa dengan menyambungkan dua kapasitor secara selari, kedua-dua ESL dan ESR dibelah dua. Dari sudut pandangan teori medan, terdapat bukan sahaja satu sumber tenaga, tetapi dua sumber tenaga dibekalkan kepada beban yang sama, dengan berkesan mengurangkan masa penghantaran tenaga keseluruhan. Walau bagaimanapun, pada frekuensi yang lebih tinggi, perbezaan antara dua kapasitor 330 µF dan satu kapasitor 680 µF akan mengecut. Ini kerana bunyi frekuensi tinggi menunjukkan tindak balas tenaga langkah tidak mencukupi. Apabila mengalihkan kapasitor 330 µF lebih dekat dengan suis, kami mengurangkan masa pemindahan tenaga, yang secara berkesan meningkatkan tindak balas langkah kapasitor.
Hasilnya memberitahu kita satu pelajaran yang sangat penting. Meningkatkan kapasiti kapasitor tunggal secara amnya tidak akan menyokong permintaan langkah untuk lebih banyak tenaga. Jika boleh, gunakan beberapa komponen kapasitif yang lebih kecil. Terdapat banyak sebab yang baik untuk ini. Yang pertama ialah kos. Secara umumnya, untuk saiz pakej yang sama, kos kapasitor meningkat secara eksponen dengan nilai kapasitans. Menggunakan satu kapasitor mungkin lebih mahal daripada menggunakan beberapa kapasitor yang lebih kecil. Sebab kedua ialah saiz. Faktor pengehad dalam reka bentuk produk biasanya ketinggian komponen. Untuk kapasitor berkapasiti besar, ketinggian selalunya terlalu besar, yang tidak sesuai untuk reka bentuk produk. Sebab ketiga ialah prestasi EMC yang kami lihat dalam kajian kes.
Faktor lain yang perlu dipertimbangkan apabila menggunakan kapasitor elektrolitik ialah apabila anda menyambungkan dua kapasitor secara bersiri untuk berkongsi voltan, anda memerlukan perintang pengimbang 6.
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, kapasitor seramik adalah peranti kecil yang boleh memberikan tenaga dengan cepat. Saya sering ditanya soalan "Berapa banyak kapasitor yang saya perlukan?" Jawapan kepada soalan ini ialah untuk kapasitor seramik, nilai kapasitansi seharusnya tidak begitu penting. Pertimbangan penting di sini adalah untuk menentukan frekuensi mana kelajuan pemindahan tenaga mencukupi untuk aplikasi anda. Jika pelepasan yang dijalankan gagal pada 100 MHz, maka kapasitor dengan impedans terkecil pada 100 MHz akan menjadi pilihan yang baik.
Ini satu lagi salah faham MLCC. Saya telah melihat jurutera menghabiskan banyak tenaga memilih kapasitor seramik dengan ESR dan ESL terendah sebelum menyambungkan kapasitor ke titik rujukan RF melalui jejak yang panjang. Perlu dinyatakan bahawa ESL MLCC biasanya jauh lebih rendah daripada induktansi sambungan pada papan. Kearuhan sambungan masih merupakan parameter terpenting yang mempengaruhi impedans frekuensi tinggi kapasitor seramik7.
Rajah 7 menunjukkan contoh yang tidak baik. Jejak panjang (0.5 inci panjang) memperkenalkan sekurang-kurangnya 10nH kearuhan. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa impedans kapasitor menjadi lebih tinggi daripada jangkaan pada titik frekuensi (50 MHz).
Salah satu masalah dengan MLCC ialah mereka cenderung bergema dengan struktur induktif pada papan. Ini boleh dilihat dalam contoh yang ditunjukkan dalam Rajah 8, di mana penggunaan MLCC 10 µF memperkenalkan resonans pada kira-kira 300 kHz.
Anda boleh mengurangkan resonans dengan memilih komponen dengan ESR yang lebih besar atau hanya meletakkan perintang nilai kecil (seperti 1 ohm) secara bersiri dengan kapasitor. Kaedah jenis ini menggunakan komponen lossy untuk menekan sistem. Kaedah lain ialah menggunakan nilai kapasitansi lain untuk memindahkan resonans ke titik resonans yang lebih rendah atau lebih tinggi.
Kapasitor filem digunakan dalam banyak aplikasi. Ia adalah kapasitor pilihan untuk penukar DC-DC berkuasa tinggi dan digunakan sebagai penapis penindasan EMI merentas talian kuasa (AC dan DC) dan konfigurasi penapisan mod biasa. Kami mengambil kapasitor X sebagai contoh untuk menggambarkan beberapa perkara utama menggunakan kapasitor filem.
Jika peristiwa lonjakan berlaku, ia membantu mengehadkan tegasan voltan puncak pada talian, jadi ia biasanya digunakan dengan penekan voltan sementara (TVS) atau varistor oksida logam (MOV).
Anda mungkin sudah mengetahui semua ini, tetapi adakah anda tahu bahawa nilai kapasitans kapasitor X boleh dikurangkan dengan ketara dengan penggunaan bertahun-tahun? Ini benar terutamanya jika kapasitor digunakan dalam persekitaran yang lembap. Saya telah melihat nilai kapasitans kapasitor X hanya turun kepada beberapa peratus daripada nilai undiannya dalam masa satu atau dua tahun, jadi sistem yang direka bentuk asalnya dengan kapasitor X sebenarnya kehilangan semua perlindungan yang mungkin ada pada kapasitor hadapan.
Jadi, apa yang berlaku? Udara lembapan mungkin bocor ke dalam kapasitor, ke atas wayar dan di antara kotak dan sebatian pasu epoksi. Metalisasi aluminium kemudiannya boleh dioksidakan. Alumina adalah penebat elektrik yang baik, dengan itu mengurangkan kapasiti. Ini adalah masalah yang akan dihadapi oleh semua kapasitor filem. Isu yang saya bicarakan ialah ketebalan filem. Jenama kapasitor terkenal menggunakan filem yang lebih tebal, menghasilkan kapasitor yang lebih besar daripada jenama lain. Filem yang lebih nipis menjadikan kapasitor kurang teguh kepada beban lampau (voltan, arus atau suhu), dan ia tidak mungkin sembuh dengan sendirinya.
Jika kapasitor X tidak disambungkan secara kekal kepada bekalan kuasa, maka anda tidak perlu risau. Contohnya, untuk produk yang mempunyai suis keras antara bekalan kuasa dan kapasitor, saiz mungkin lebih penting daripada hayat, dan kemudian anda boleh memilih kapasitor yang lebih nipis.
Walau bagaimanapun, jika kapasitor disambungkan secara kekal kepada sumber kuasa, ia mestilah sangat dipercayai. Pengoksidaan kapasitor tidak dapat dielakkan. Jika bahan epoksi pemuat adalah berkualiti dan pemuat tidak selalunya terdedah kepada suhu yang melampau, kejatuhan nilai haruslah minimum.
Dalam artikel ini, pertama kali memperkenalkan pandangan teori medan kapasitor. Contoh praktikal dan hasil simulasi menunjukkan cara memilih dan menggunakan jenis kapasitor yang paling biasa. Harap maklumat ini dapat membantu anda memahami peranan kapasitor dalam reka bentuk elektronik dan EMC dengan lebih menyeluruh.
Dr. Min Zhang ialah pengasas dan ketua perunding EMC Mach One Design Ltd, sebuah syarikat kejuruteraan yang berpangkalan di UK yang mengkhusus dalam perundingan, penyelesaian masalah dan latihan EMC. Pengetahuan mendalam beliau dalam elektronik kuasa, elektronik digital, motor dan reka bentuk produk telah memberi manfaat kepada syarikat di seluruh dunia.
Dalam Pematuhan ialah sumber utama berita, maklumat, pendidikan dan inspirasi untuk profesional kejuruteraan elektrik dan elektronik.
Aeroangkasa Automotif Komunikasi Elektronik Pengguna Pendidikan Tenaga dan Tenaga Industri Teknologi Maklumat Perubatan Tentera dan Pertahanan Negara