Teljesítményelektronikai ötletek – 48

Még 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.

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.

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: