fréttir

Þéttar eru einn af algengustu íhlutunum á rafrásum. Eftir því sem raftækjum (frá farsímum til bíla) heldur áfram að fjölga, eykst eftirspurn eftir þéttum. Covid 19 heimsfaraldurinn hefur truflað alþjóðlega aðfangakeðju íhluta frá hálfleiðurum til óvirkra íhluta og þétta hefur verið af skornum skammti1.
Umræður um efni þétta má auðveldlega breyta í bók eða orðabók. Í fyrsta lagi eru mismunandi gerðir af þéttum, svo sem rafgreiningarþéttar, filmuþéttar, keramikþéttar og svo framvegis. Þá, í sömu gerð, eru mismunandi raforkuefni. Það eru líka mismunandi flokkar. Að því er varðar líkamlega uppbyggingu, þá eru gerðir af þéttum með tveimur og þremur stöðvum. Það er líka til þétti af X2Y gerð, sem er í raun par af Y þéttum sem eru hjúpaðir í einum. Hvað með ofurþétta? Staðreyndin er sú að ef þú sest niður og byrjar að lesa leiðbeiningar um val á þétta frá helstu framleiðendum geturðu auðveldlega eytt deginum!
Þar sem þessi grein fjallar um grunnatriðin mun ég nota aðra aðferð eins og venjulega. Eins og fyrr segir er auðvelt að finna leiðbeiningar um val á þétta á vefsíðum birgja 3 og 4 og verkfræðingar á vettvangi geta yfirleitt svarað flestum spurningum um þétta. Í þessari grein mun ég ekki endurtaka það sem þú getur fundið á netinu, en mun sýna hvernig á að velja og nota þétta með hagnýtum dæmum. Einnig verður farið yfir nokkra minna þekkta þætti í vali á þétta, svo sem niðurbrot rýmds. Eftir að hafa lesið þessa grein ættir þú að hafa góðan skilning á notkun þétta.
Fyrir mörgum árum, þegar ég var að vinna í fyrirtæki sem framleiddi rafeindabúnað, fengum við viðtalsspurningu fyrir rafeindavirkja. Á skýringarmynd af núverandi vöru, munum við spyrja mögulega umsækjendur "Hver er hlutverk DC tengi rafgreiningarþéttans?" og "Hver er hlutverk keramikþéttans sem staðsettur er við hliðina á flísinni?" Við vonum að rétta svarið sé DC strætóþéttir Notaðir til orkugeymslu, keramikþéttar eru notaðir til síunar.
„Rétta“ svarið sem við leitum sýnir í raun og veru að allir í hönnunarteymi líta á þétta frá einföldu hringrásarsjónarhorni, ekki frá sjónarhorni sviðsfræðinnar. Sjónarmið hringrásarfræðinnar er ekki rangt. Við lága tíðni (frá nokkrum kHz til nokkurra MHz) getur hringrásarfræði yfirleitt útskýrt vandamálið vel. Þetta er vegna þess að við lægri tíðni er merkið aðallega í mismunadrifsham. Með því að nota hringrásarfræðina getum við séð þéttann sem sýndur er á mynd 1, þar sem jafngild raðviðnám (ESR) og jafngild raðar inductance (ESL) gera það að verkum að viðnám þéttans breytist með tíðni.
Þetta líkan útskýrir að fullu frammistöðu hringrásarinnar þegar skipt er hægt um hringrásina. Hins vegar, eftir því sem tíðnin eykst, verða hlutirnir sífellt flóknari. Á einhverjum tímapunkti byrjar íhluturinn að sýna ólínuleika. Þegar tíðnin eykst hefur einfalda LCR líkanið sínar takmarkanir.
Í dag, ef ég væri spurð sömu viðtalsspurningarinnar, myndi ég nota sviðsfræðileg athugunargleraugu og segja að báðar þéttagerðirnar séu orkugeymslutæki. Munurinn er sá að rafgreiningarþéttar geta geymt meiri orku en keramikþéttar. En hvað varðar orkuflutning geta keramikþéttar sent orku hraðar. Þetta útskýrir hvers vegna þarf að setja keramikþétta við hlið flísarinnar, vegna þess að flísinn hefur hærri skiptitíðni og skiptihraða miðað við aðalrafrásina.
Frá þessu sjónarhorni getum við einfaldlega skilgreint tvo frammistöðustaðla fyrir þétta. Önnur er hversu mikla orku þéttinn getur geymt og hin er hversu hratt er hægt að flytja þessa orku. Hvort tveggja fer eftir framleiðsluaðferð þéttans, rafeindaefninu, tengingunni við þéttann og svo framvegis.
Þegar rofinn í hringrásinni er lokaður (sjá mynd 2) gefur það til kynna að álagið þurfi orku frá aflgjafanum. Hraðinn sem þessi rofi lokar á ákvarðar hversu brýnt orkuþörf er. Þar sem orka ferðast á ljóshraða (helmingur ljóshraða í FR4 efnum) tekur það tíma að flytja orku. Að auki er ósamræmi við viðnám milli uppsprettu og flutningslínu og álags. Þetta þýðir að orka verður aldrei flutt í einni ferð, heldur í mörgum hringferðum5, þess vegna sjáum við tafir og hringingu í skiptibylgjuforminu þegar skipt er hratt yfir.
Mynd 2: Það tekur tíma fyrir orku að breiðast út í geimnum; Ósamræmi við viðnám veldur mörgum orkuflutningum fram og til baka.
Sú staðreynd að orkuafhending tekur tíma og margar ferðir fram og til baka segir okkur að við þurfum að færa orkuna sem næst hleðslunni og við þurfum að finna leið til að afhenda hana hratt. Hið fyrra er venjulega náð með því að minnka líkamlega fjarlægð milli álags, rofa og þétta. Hið síðarnefnda er náð með því að safna saman hópi þétta með minnstu viðnám.
Vettvangsfræði útskýrir einnig hvað veldur algengum hávaða. Í stuttu máli þá myndast venjulegur hávaði þegar orkuþörf hleðslunnar er ekki fullnægt við skiptingu. Þess vegna verður orkan sem geymd er í bilinu milli hleðslunnar og nærliggjandi leiðara veitt til að styðja við þrepaþörfina. Rýmið milli álagsins og nærliggjandi leiðara er það sem við köllum sníkju-/gagnkvæm rýmd (sjá mynd 2).
Við notum eftirfarandi dæmi til að sýna hvernig á að nota rafgreiningarþétta, fjöllaga keramikþétta (MLCC) og filmuþétta. Bæði hringrásar- og sviðskenningin eru notuð til að útskýra frammistöðu valinna þétta.
Rafgreiningarþéttar eru aðallega notaðir í DC tengilinn sem aðalorkugjafi. Val á rafgreiningarþétta fer oft eftir:
Fyrir EMC frammistöðu eru mikilvægustu eiginleikar þétta viðnám og tíðnieiginleikar. Lágtíðni leidd útstreymi er alltaf háð frammistöðu DC tengiþéttisins.
Viðnám DC hlekksins veltur ekki aðeins á ESR og ESL þéttans, heldur einnig af flatarmáli varmalykkjunnar, eins og sýnt er á mynd 3. Stærra varmalykkjusvæði þýðir að orkuflutningur tekur lengri tíma, þannig að frammistaða verða fyrir áhrifum.
Til að sanna þetta var smíðaður lækkandi DC-DC breytir. EMC prófunaruppsetningin sem sýnd er á mynd 4 framkvæmir útgeislunarskönnun á milli 150kHz og 108MHz.
Það er mikilvægt að tryggja að þéttarnir sem notaðir eru í þessari tilviksrannsókn séu allir frá sama framleiðanda til að forðast mun á viðnámseiginleikum. Þegar þéttinn er lóðaður á PCB skaltu ganga úr skugga um að það séu engar langar leiðir, þar sem það mun auka ESL þéttans. Mynd 5 sýnir stillingarnar þrjár.
Útblástursniðurstöður þessara þriggja stillinga eru sýndar á mynd 6. Það má sjá að samanborið við einn 680 µF þétta ná 330 µF þéttarnir tveir 6 dB hávaðaminnkun á breiðara tíðnisviði.
Af hringrásarkenningunni má segja að með því að tengja tvo þétta samhliða helmingast bæði ESL og ESR. Frá sjónarhóli sviðsfræðinnar er ekki aðeins einn orkugjafi, heldur eru tveir orkugjafar veittir á sama álag, sem dregur í raun úr heildarorkuflutningstímanum. Hins vegar, við hærri tíðni, mun munurinn á tveimur 330 µF þéttum og einum 680 µF þétta minnka. Þetta er vegna þess að hátíðni hávaði gefur til kynna ófullnægjandi skreforkusvörun. Þegar 330 µF þétti er fært nær rofanum minnkum við orkuflutningstímann, sem eykur í raun skrefsvörun þéttans.
Niðurstaðan segir okkur mjög mikilvægan lexíu. Að auka rýmd eins þétts mun almennt ekki styðja skrefakröfuna um meiri orku. Ef mögulegt er, notaðu nokkra minni rafrýmd íhluti. Það eru margar góðar ástæður fyrir þessu. Það fyrsta er kostnaður. Almennt talað, fyrir sömu pakkningastærð, eykst kostnaður við þétta veldisvísis með rýmdgildinu. Það getur verið dýrara að nota einn þétta en að nota nokkra smærri þétta. Önnur ástæðan er stærð. Takmarkandi þátturinn í vöruhönnun er venjulega hæð íhlutanna. Fyrir stóra þétta er hæðin oft of stór, sem hentar ekki fyrir vöruhönnun. Þriðja ástæðan er EMC árangur sem við sáum í dæmisögunni.
Annar þáttur sem þarf að hafa í huga þegar þú notar rafgreiningarþétta er að þegar þú tengir tvo þétta í röð til að deila spennunni þarftu jafnvægisviðnám 6.
Eins og fyrr segir eru keramikþéttar smátæki sem geta fljótt veitt orku. Ég er oft spurður spurningarinnar "Hversu mikið þétti þarf ég?" Svarið við þessari spurningu er að fyrir keramikþétta ætti rýmdargildið ekki að vera svo mikilvægt. Mikilvæga umfjöllunin hér er að ákvarða á hvaða tíðni orkuflutningshraðinn er nægjanlegur fyrir umsókn þína. Ef útgeislunin mistekst við 100 MHz, þá mun þétturinn með minnstu viðnám við 100 MHz vera góður kostur.
Þetta er annar misskilningur á MLCC. Ég hef séð verkfræðinga eyða mikilli orku í að velja keramikþétta með lægsta ESR og ESL áður en þeir tengja þéttana við RF viðmiðunarpunktinn í gegnum löng spor. Þess má geta að ESL MLCC er venjulega mun lægra en tenginginductance á borðinu. Tengispóla er enn mikilvægasta færibreytan sem hefur áhrif á hátíðniviðnám keramikþétta7.
Mynd 7 sýnir slæmt dæmi. Langar ummerki (0,5 tommur að lengd) kynna að minnsta kosti 10nH inductance. Hermirniðurstaðan sýnir að viðnám þéttans verður mun meiri en búist var við á tíðnipunktinum (50 MHz).
Eitt af vandamálunum við MLCCs er að þeir hafa tilhneigingu til að hljóma með inductive uppbyggingu á borðinu. Þetta má sjá í dæminu sem sýnt er á mynd 8, þar sem notkun á 10 µF MLCC kynnir ómun við um það bil 300 kHz.
Þú getur dregið úr ómun með því að velja íhlut með stærri ESR eða einfaldlega setja lítið gildi viðnám (eins og 1 ohm) í röð með þétta. Þessi tegund af aðferð notar tapaða hluti til að bæla niður kerfið. Önnur aðferð er að nota annað rafrýmd til að færa ómuninn í lægri eða hærri ómun.
Kvikmyndaþéttar eru notaðir í mörgum forritum. Þeir eru valdir þéttar fyrir aflmikla DC-DC breyta og eru notaðir sem EMI bælingarsíur yfir raflínur (AC og DC) og algengar síunarstillingar. Við tökum X þétta sem dæmi til að sýna nokkur meginatriði þess að nota filmuþétta.
Ef bylgjuatburður á sér stað hjálpar það að takmarka háspennuálag á línuna, þannig að það er venjulega notað með skammvinnum spennubæli (TVS) eða málmoxíðvari (MOV).
Þú veist kannski allt þetta nú þegar, en vissir þú að rýmd gildi X þétta getur minnkað verulega með margra ára notkun? Þetta á sérstaklega við ef þéttinn er notaður í röku umhverfi. Ég hef séð rýmdargildi X þétta aðeins falla niður í nokkur prósent af nafngildi innan eins árs eða tveggja, þannig að kerfið sem upphaflega var hannað með X þéttanum missti í raun alla þá vernd sem framhlið þéttarinn gæti haft.
Svo, hvað gerðist? Rakaloft getur lekið inn í þéttann, upp vírinn og á milli kassans og epoxýblöndunnar. Þá er hægt að oxa álmálmvinnsluna. Súrál er góður rafmagns einangrunarefni og dregur þar með úr rýmd. Þetta er vandamál sem allir filmuþéttar munu lenda í. Málið sem ég er að tala um er filmuþykkt. Viðurkennd vörumerki þétta nota þykkari filmur, sem leiðir til stærri þétta en aðrar tegundir. Þynnri filman gerir þéttann minna traustan við ofhleðslu (spennu, straum eða hitastig) og ólíklegt er að hann grói sjálfan sig.
Ef X þéttinn er ekki varanlega tengdur við aflgjafann, þá þarftu ekki að hafa áhyggjur. Til dæmis, fyrir vöru sem er með harðan rofi á milli aflgjafa og þétta, gæti stærðin verið mikilvægari en lífið og þá er hægt að velja þynnri þétta.
Hins vegar, ef þétturinn er varanlega tengdur við aflgjafann, verður hann að vera mjög áreiðanlegur. Oxun þétta er ekki óumflýjanleg. Ef þétta epoxýefnið er af góðum gæðum og þétturinn verður ekki oft fyrir miklum hita ætti verðfallið að vera í lágmarki.
Í þessari grein kynnti fyrst sviðsfræðiskoðun þétta. Hagnýt dæmi og uppgerð niðurstöður sýna hvernig á að velja og nota algengustu þéttagerðirnar. Vona að þessar upplýsingar geti hjálpað þér að skilja hlutverk þétta í rafrænni og EMC hönnun á ítarlegri hátt.
Dr. Min Zhang er stofnandi og aðal EMC ráðgjafi Mach One Design Ltd, verkfræðifyrirtækis í Bretlandi sem sérhæfir sig í EMC ráðgjöf, bilanaleit og þjálfun. Djúp þekking hans á rafeindatækni, stafrænum rafeindatækni, mótorum og vöruhönnun hefur nýst fyrirtækjum um allan heim.
In Compliance er helsta uppspretta frétta, upplýsinga, fræðslu og innblásturs fyrir fagfólk í rafmagns- og rafeindavirkjun.
Aerospace Bílasamskipti Neytendatækni Menntun Orku- og orkuiðnaður Upplýsingatækni Læknisher og landvarnir