Основными причинами применения развязывающих конденсаторов является изменения потребляемого тока и шум в цепях электропитания [1]. Использование развязывающих конденсаторов позволяет осуществить следующие функции:

– Локальное хранение энергии. Конденсатор является источником энергии, расположенным ближе к нагрузке, чем источник питания. За счет расположения позволяет быстрее обеспечить нагрузку необходимым током при резких скачках потребления. При этом энергия, запасенная в конденсаторе, может быть определена по формуле, представленной в уравнении 1.

(1)

где W — энергия, Дж;

C — значение емкости конденсатора, мкФ;

U — напряжение, до которого заряжен конденсатор, В.

В высокочастотной области значительным становится расположение конденсаторов. Поскольку решающей становится эквивалентное последовательное сопротивление и эквивалентная последовательная индуктивность подключения [2].

— Стабилизация напряжения питания. При изменения потребляемого тока, отдаёт накопленную энергию или поглощает избыток, за счет чего снижает амплитуду просадок или выбросов напряжения. Для быстрых переходных процессов можно определить значение изменения напряжения питания в результате изменения потребления тока с помощью уравнения 2.

(2)

где ΔU — изменение напряжения, В;

ΔI — изменения тока, А;

Δt — длительность переходного процесса, с;

C — емкость конденсатора, Ф.

При увеличении емкости конденсатора, изменение напряжения при том же токе и длительности импульса, будет меньше.

— Снижение импеданса сети питания. Импеданс сети питания не должен превышать допустимого значения на всем диапазоне частот. При возникновении на какой-то частоте бросков тока, которые будут превышать заложенное изменение тока, будет происходить превышение заложенных диапазонов напряжения питания. Значение требуемого импеданса системы может быть вычислено следующим образом:

(3)

Импеданс системы питания складывается из импеданса всех её составляющих. И фактически описывает как система может реагировать на изменение параметров потребления.

– Устранение резонансов и возбуждения. Печатная плата и компоненты имеют множество индуктивных и емкостных составляющих, образующих неявные контуры, которые могут приводить к резонансу при функционировании нагрузки. В свою очередь применение конденсаторов в системе питания призвано демпфировать систему и сдвинуть резонансные пики.

– Фильтрация помех. Шумы от различных компонентов благодаря конденсаторам не должны попадать на чувствительные цепи питания. Скачки потребления нагрузки не должны сказываться на других компонентах той же электрической цепи или на цепи, обеспечивающий источник питания.

Критерии выбора конденсаторов

Исходя из перечисленных выше основных функций применения конденсаторов в цепях электропитания, можно сформировать последовательность шагов. Перейдем к обсуждению каждого.

Типы диэлектриков

Различные типы диэлектриков имеют различные эксплуатационные, конструкторские и электрические характеристики, так можно выделить следующую типовую зависимость импеданса конденсаторов для различных типов диэлектриков. Так на рисунке 1 представлены диапазоны емкости и номинального напряжения для конденсаторов различных типов [3].

Рис. 1. Емкость и номинальное напряжение конденсаторов различных типов

Температурный диапазон работы

После выбора типа конденсатора, важным шагом является определение диапазонов температур, при которых компонентная база будет функционировать. Диапазон температур следует определять с учетом нагрева компонента при прохождении электрического тока через него и взаимного влияния температур компонентов друг на друга. Так в рамках применения как шунтирующих конденсаторов, наибольшее применение нашли многослойные керамические конденсаторы (MLCC).

Согласно классификации EIA, существует три класса конденсаторов, они представлены в таблице 1 [4].

Таблица 1

Классы 2 и 3 имеют общую систему обозначения вида AnB, где A кодирует нижний температурный предел, n — верхний температурный предел, а B — максимальное допускаемое отклонение емкости. В таблице 2 представлены варианты температурных диапазонов конденсаторов, а также наиболее распространенные допуски изменения ёмкости.

Таблица 2

Для конденсаторов 1 класса, стандарт EIA не использует жёсткую систему кодирования температурного диапазона, как у 2 и 3 классов. Основной характеристикой является температурный коэффициент ёмкости, поскольку изменение ёмкости у таких конденсаторов происходит линейно в зависимости от температуры, он характеризует величину отклонение в зависимости от конкретного значения температуры. Допустимый рабочий диапазон температур определяется производителем и конкретной серией конденсаторов.

В зависимости от используемых приложений, и необходимой при них точности, и возникающих температурных условий работы, необходимо выбирать соответствующий класс конденсаторов, не хуже предъявляемых требований. Так, например для работы при температуре окружающей среды от 0 до 80 °C и нагреве компонентной базы конденсаторов до 50 °C с возможным изменением емкости не более ±10 %, ограничит применение конденсаторов и сделает возможным применение только типов X8R и X9R.

Максимальное рабочее напряжение и изменение напряжения от приложенного напряжения

Рабочее (номинальное) напряжение — это максимальное напряжение, при приложении которого к конденсатору, он может работать в течение длительного времени с сохранением стабильной работы компонента.

При работе электрической схемы, напряжение, приложенное к конденсатору, не должно превышать значения номинального напряжения. Даже кратковременное превышение может привести к значительному падению емкости, ускоренному старению, микротрещинам и пробоям.

Для избежания этого, всегда стоит определять максимальное напряжение, приходящееся на конденсатор, и выбирать конденсатор с рабочих напряжением в 1,3–1,5 раза больше.

Также немаловажно учитывать влияние прикладываемого напряжения на емкость конденсатора, этот эффект имеет название DC Bias. В большинстве случаем максимальное отклонение в рамках допустимого прикладываемого напряжения, может составлять -50 %, что значительно сказывает на работе электрической схемы.

Пример изменения емкости при приложении напряжения представлен на рисунке 2 [5].

Рис. 2. Емкость конденсатора при различном приложенном напряжении

Как уже было сказано ранее, функцией применения развязывающих конденсаторов является снижение импеданса системы питания ниже определенного уровня на требуемом диапазоне частот. Эти требования обоснованы максимально допустимым отклонение изменения напряжения при изменении потребляемого нагрузкой тока.

Полный импеданс определяется следующим выражением:

(4)

где R — сопротивление, Ом;

f — частота, Гц;

L — индуктивность, Гн;

C — емкость, Ф.

На практике эта зависимость дает результат, представленный на рисунке 3.

Рис. 3. Активное сопротивление и импеданс конденсатора при различной частоте

Минимальное значение достигается при резонансной частоте, которая может быть вычислена следующим образом:

(5)

На рисунке 4 показана зависимость различия характеристик для конденсаторов различной емкости. Данная зависимость показана при сохранении типоразмера конденсатора, правая ветвь характеристика имеет равный наклон при различных значениях емкости.

Рис. 4. Импеданс конденсаторов различной емкости при одинаковом размере корпуса

При параллельном соединении конденсаторов их минимальный импеданс будет меньше импеданса минимального значения.

При этом значительное влияние оказывает индуктивная составляющая компонента и его подключения на печатной плате. Так 5 показано отличие импеданса для конденсаторов емкость 100 нФ в различных типоразмерах. Различия в характеристиках, исходя из конструктивных особенностей компонента и его подключения тоже необходимо учитывать при разработке системы питания.

Рис. 5. Импеданс конденсаторов одинакового номинала в различных корпусах

Вывод

Таким образом, на основе перечисленных выше пунктов, можно выделить следующие моменты, необходимые для контроля при подборе конденсаторов в системах питания.

Необходимо учитывать следующие факторы:

1. Рабочее напряжение и изменение ёмкости конденсатора при его приложении
2. Допустимый температурный диапазон работы и изменение ёмкости конденсатора от температуры
3. Допуск номинала ёмкости самого конденсатора
4. Значения импеданса
5. Ограничения на тип и размер конденсаторов

В работе проанализированы основные функции развязывающих конденсаторов и факторы, влияющие на их функционирование. Также показано, что совместный учет этих факторов необходим для корректного проектирования систем электропитания.

Литература:

1. Богатин, Э. Целостность сигналов и систем питания: современный курс проектирования. — Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2021. — 720 с.
2. Джонсон, Г., Грэхем, М. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: методический курс по ПХД. — М.: Вильямс, 2006. — 624 с.
3. Ahmed, M. Topological Overview of Auxiliary Source Circuits for Grid-Tied Converters / M. Ahmed, A. S. Haider, M. B. Shadmand // ResearchGate. — 2023. — № 1. — P. 12–18.
4. EIA-198-D. Ceramic Dielectric Capacitors: Classes I, II, III and IV. Part I. — Washington: Electronic Industries Alliance, 1991. — 45 p.
5. Murata Manufacturing Co., Ltd. Chip Multilayer Ceramic Capacitors: Selection Guide. — Catalog No. C02E. — Kyoto: Murata Manufacturing Co., Ltd., 2024. — 120 p.