magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 48 reszMég a legvonzóbb megoldásnak is lehetnek árnyoldalai – erre mutat példát Robert cikke is, amely az egyébként sok kedvező tulajdonsággal rendelkező, többrétegű kerámiakondenzátorok teljesítményelektronikai alkalmazásának lehetséges hátrányaival foglalkozik.

 

 

 

Kerüljük el a többrétegű kerámiakondenzátorok szokásos csapdáit

A többrétegű kerámiakondenzátorok (Multi Layer Ceramic – MLC) rendkívüli népszerűségre tettek szert a teljesítményelektronikában kis méretük, kis ekvivalens soros ellenállásuk (Equivalent Series Resistance – ESR), alacsony áruk, nagy megbízhatóságuk és nagy csúcsáramtűrő képeségük miatt. Általában elektrolitkondenzátorok helyettesítésére használják a teljes rendszer minőségének javítása érdekében. Az MLC-kondenzátorok előnye a magas relatív dielektromos állandójú (permittivitású) anyagok használata (2000…3000 az elektrolitkondenzátorok szigetelőanyagának, az alumínium-oxidnak a tipikusan 10-es permittivitásával szemben). A különbség jelentős, mert a kapacitás közvetlenül függ a permittivitástól. Az elektrolitkondenzátorok előnye viszont az alumínium-oxid szigetelőréteg vastagsága, amely a fegyverzetek között kisebb távolságot tart, amely nagyobb kapacitássűrűséget (egységnyi térfogatban megvalósítható kapacitást) eredményez.
A kerámiakondenzátorok szigetelőanyagának permittivitása függ a hőmérséklettől és a kondenzátorra kapcsolt egyenfeszültségtől, amelyet figyelembe kell vennünk a tervezés során. A nagy permit­tivitású kerámiákat a 2. osztályba soroljuk. Az 1. ábra azt mutatja, hogyan jelöljük a kondenzátorok dielektrikumainak tulajdonságait olyan három jelből álló rövidítésekkel, mint a Z5U, az X5R vagy az X7R. Például egy Z5U-kondenzátor üzemi hőmérséklet-tartománya +10…+85 °C, +22…‑56%-os tűréstartománnyal. Még az aránylag stabil dielektrikumok is jelentős kapacitásváltozásokat okoznak a hőmérséklet függvényében.

 

Texas Power 1

1. ábra A 2. osztályú dielektrikumok tulajdonságait három jelből álló jelsorozattal kategorizáljuk. Figyeljük a toleranciasávokat!


A dolgok még rosszabbra fordulnak, ha megvizsgáljuk, hogyan függ a kapacitás a rákapcsolt egyenfeszültségtől. A 2. ábra egy 22 μF-os, 6,3 V-os X5S-kondenzátor egyenfeszültség-függését mutatja be. Az ilyen kondenzátorokat gyakran használjuk például 3,3 V-os, terhelés mellé épített (Point of Load – PoL) tápegységekben. A kapacitás 3,3 V-on 25%-kal csökken, amely megnöveli a kimeneti feszültség hullámosságát, és jelentős befolyást gyakorol a szabályozóhurok sávszélességére. Ha ugyanezt a kondenzátort 5 V-os kimenőfeszültségű tápegységben alkalmazzuk azonos hőmérsékleten és feszültségen, a kapacitás akár 60%-kal is csökkenhet, amely instabillá teheti a tápegységet a hurok sávszélességének 2:1 arányú változása miatt. Ez az a tény, amit a keramikus kondenzátorok gyártói finoman elhallgatnak.

 

Texas Power 2

2. ábra A kapacitás csökkenése a rákapcsolt egyenfeszültség függvényében

 

A kerámiakondenzátorok másik potenciális „csapdája”, hogy aránylag kicsi a kapacitásuk és az ESR-értékük. Ez problémát okozhat mind a frekvencia-, mind pedig az időtartományban. Ha például egy tápegység bemeneti kondenzátoraként használjuk ezeket, könnyen adhatnak rezonanciát a bemeneti huzalozási induktivitással, amely oszcillátorszerű működést eredményezhet, amint azt a „Teljesítményelektronikai ötletek” cikksorozat 2. és 3. részében is bemutattuk. Ahhoz, hogy belássuk, hogy ez potenciális probléma forrása lehet, becsüljük a hosszegységre eső parazita huzalozási kapacitást 6 nH/cm értékűre, és hasonlítsuk össze a szűrő kimeneti impedanciáját a tápegység bemeneti ellenállásával az említett cikkek szerint. Egy másik potenciális probléma az időtartományban mutatkozik, és olyan rendszerekre jellemző, mint az Ethernet-hálózaton át történő tápfeszültség-ellátás (Power over Ethernet – PoE). Ezekben a rendszerekben a tápforrás nagy huzalozási induktivitáson keresztül kapcsolódik a terhelésre.
A terhelést egy kapcsolóval kapcsoljuk be, és feltehetőleg kerámia szűrőkondenzátorokat építünk be vele párhuzamosan, hogy a gyors változások hatását csillapítsuk. A szűrőkondenzátorok és a csatlakoztatás induktivitása egy nagy jósági tényezőjű, rezonáns áramkört alkot. A terheléskapcsoló zárása túlfeszültséget okoz, mivel a terhelés csúcsfeszültsége egy csillapodó rezgés során akár a forrásfeszültség kétszeresét is elérheti. Ez az áramkör váratlan meghibásodását okozhatja. Emiatt például egy PoE-áramkörben a terhelésbe a forrásfeszültség kétszeres értékének megfelelő feszültségtűrésű alkatrészeket kell beépíteni.
Egy harmadik potenciális csapda, amire az MLC-kondenzátorok kiválasztásakor fel kell készülnünk, az a tény, hogy a kerámiakondenzátorok dielektrikumai piezoelektromos tulajdonságúak. Ez azzal a következménnyel jár, hogy ha a feszültség változik a kondenzátoron, vele együtt a fizikai méretei is változnak, amely hall­ható zajt eredményez. Példákat találunk erre a problémára azokban az alkalmazásokban, amelyekben a kerámiakondenzátorokat kime­neti szűrőkondenzátorként használjuk olyan tápegységekben, amelyek terhelőáramában nagy tranziens összetevők találhatók. Hasonlóképpen akusztikus zajforrásként viselkednek a kerámia­konden­zátorok a „zöld” tápegységekben, amelyek burst (ritkán előforduló impulzuscsomag) üzemmódra kapcsolnak át kis terhelésű üzemmódban. Az ilyen problémákat a következő megoldásokkal kerülhetjük el:

  • Alacsonyabb permittivitású kerámiaanyagot (például COG-ot) tartalmazó kondenzátor választása,

  • Más (nem kerámia) anyagú dielektrikummal (például fóliával) felépített kondenzátor használata,

  • Huzalkivezetéses változatok beépítése a felületszerelt (SMT) alkatrészek helyett, mivel az utóbbiak nagyon szoros akusztikus csatolásban vannak a NyÁK-lemezzel,

  • Kisebb alapterület-igényű típusok választása, amely révén csökken a hordozólemezre átcsatolódó mechanikai igénybevétel,

  • Vastagabb kialakítású alkatrész használata, a rákapcsolt egyenfeszültség okozta mechanikai feszültség és a mechanikai deformáció csökkentése érdekében.

Az SMT-kerámiakondenzátorokkal kapcsolatos az a probléma is, hogy ezek forrasztófelületei hajlamosak leszakadni, ha a NyÁK-lemez meghajlik, vagy ha a kondenzátor és a NyÁK-lemez hőtágulási együtthatója különböző. Érdemes betartani néhány óvatossági rendszabályt az ilyen problémák elkerülésére:

  • Korlátozzuk az SMT-kondenzátor méretét az 1210-es méretre,

  • Telepítsük a kondenzátorokat távol az erős hajlításnak kitett NyÁK-felületektől, például a sarkoktól,

  • Tájoljuk a kondenzátorok hossztengelyét a NyÁK-lap rövidebb oldalával párhuzamosan,

  • Helyezzük a panel rögzítési pontjait távol a sarkoktól és az élektől,

  • Ügyeljünk arra, hogy a panel meghajlítására lehetőleg egyetlen szerelési lépésben se legyen szükség.

Összegezve: a többrétegű kerámiakondenzátorokkal olcsóbb, megbízhatóbb és hosszabb élettartamú, valamint kisebb méretű megoldások készíthetők, mint elektrolitkondenzátorokkal – feltéve, ha ügyelünk a használatával járó „csapdákra”. Előfordulhat, hogy nagyon széles a kapacitástolerancia sávjuk, ezért szükségessé válhat a paramétereik vizsgálata a hőmérséklet és a rákapcsolt egyenfeszültség függvényében. Ezek a kondenzátorok piezoelektromos viselkedésűek, amely azt jelenti, hogy hallható akusztikus zajt okozhatnak olyan rendszerekben, amelyekben időben változó áram folyik rajtuk. Végül, az SMT-típusok hajlamosak leválni, ezért be kell tartani néhány fontos szabályt annak érdekében, hogy az ilyen hibák lehetőségét csökkentsük. Azonban mindezek a problémák megoldhatók vagy megkerülhetők, ezért az MLC-kondenzátorok továbbra is nagyon népszerűek maradhatnak.

 

Sorozatunk következő részében folytatjuk annak vizsgálatát, hogyan kell kondenzátorokat választani kapcsolóüzemű tápegységekben való felhasználásra.

 

www.ti.com/power-ca

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

35. rész

36. rész

37. rész

38. rész

39. rész

40. rész

41. rész

42. rész

43. rész 

44. rész

45. rész

46. rész

47. rész

 

 

 

 

 

 

 

 

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.

 

 
 
 

 

   
Advertisement
--!>