חֲדָשׁוֹת

קבלים הם אחד הרכיבים הנפוצים ביותר במעגלים. ככל שמספר המכשירים האלקטרוניים (מטלפונים ניידים ועד מכוניות) ממשיך לעלות, כך גם הביקוש לקבלים עולה. מגיפת Covid 19 שיבשה את שרשרת האספקה ​​העולמית של רכיבים ממוליכים למחצה לרכיבים פסיביים, וקבלים היו במחסור1.
דיונים בנושא קבלים יכולים להפוך בקלות לספר או למילון. ראשית, ישנם סוגים שונים של קבלים, כגון קבלים אלקטרוליטיים, קבלי סרט, קבלים קרמיים וכן הלאה. ואז, באותו סוג, ישנם חומרים דיאלקטריים שונים. יש גם כיתות שונות. באשר למבנה הפיזי, ישנם סוגי קבלים דו-טרמינלים ושלושה-טרמינלים. יש גם קבל מסוג X2Y, שהוא בעצם זוג קבלים Y מכוסים באחד. מה לגבי קבלי-על? העובדה היא שאם אתה מתיישב ומתחיל לקרוא מדריכים לבחירת קבלים מיצרנים גדולים, אתה יכול בקלות לבלות את היום!
מכיוון שמאמר זה עוסק ביסודות, אשתמש בשיטה אחרת כרגיל. כפי שהוזכר קודם לכן, ניתן למצוא בקלות מדריכים לבחירת קבלים באתרי הספקים 3 ו-4, ומהנדסי שטח יכולים בדרך כלל לענות על רוב השאלות בנושא קבלים. במאמר זה לא אחזור על מה שניתן למצוא באינטרנט, אלא אדגים כיצד לבחור ולהשתמש בקבלים באמצעות דוגמאות מעשיות. כמה היבטים פחות מוכרים של בחירת קבלים, כגון ירידה בקיבול, יכוסו גם הם. לאחר קריאת מאמר זה, אתה אמור להבין היטב את השימוש בקבלים.
לפני שנים, כשעבדתי בחברה שייצרה ציוד אלקטרוני, הייתה לנו שאלת ראיון למהנדס אלקטרוניקת כוח. בתרשים הסכמטי של המוצר הקיים, נשאל מועמדים פוטנציאליים "מה תפקידו של הקבל האלקטרוליטי של קישור DC?" ו"מה תפקידו של הקבל הקרמי הממוקם ליד השבב?" אנו מקווים שהתשובה הנכונה היא קבל אוטובוס DC המשמש לאחסון אנרגיה, קבלים קרמיים משמשים לסינון.
התשובה ה"נכונה" שאנו מחפשים למעשה מראה שכל אחד בצוות התכנון מסתכל על קבלים מנקודת מבט פשוטה של ​​מעגלים, לא מנקודת מבט של תורת השדה. נקודת המבט של תורת המעגלים אינה שגויה. בתדרים נמוכים (מכמה קילו-הרץ לכמה מגה-הרץ), תורת המעגלים יכולה בדרך כלל להסביר היטב את הבעיה. הסיבה לכך היא שבתדרים נמוכים יותר, האות נמצא בעיקר במצב דיפרנציאלי. באמצעות תורת המעגלים, אנו יכולים לראות את הקבל המוצג באיור 1, שבו ההתנגדות הסדרתית המקבילה (ESR) וההשראות הסדרתית המקבילה (ESL) גורמות לעכבה של הקבל להשתנות עם התדר.
מודל זה מסביר במלואו את ביצועי המעגל כאשר המעגל עובר לאט. עם זאת, ככל שהתדירות עולה, הדברים מסתבכים יותר ויותר. בשלב מסוים, הרכיב מתחיל להראות חוסר ליניאריות. כאשר התדר עולה, למודל ה-LCR הפשוט יש את המגבלות שלו.
היום, אם היו שואלים אותי אותה שאלת ראיון, הייתי מרכיב את משקפי התצפית שלי בתורת השדה ואומר ששני סוגי הקבלים הם התקני אחסון אנרגיה. ההבדל הוא שקבלים אלקטרוליטים יכולים לאגור יותר אנרגיה מאשר קבלים קרמיים. אבל במונחים של העברת אנרגיה, קבלים קרמיים יכולים להעביר אנרגיה מהר יותר. זה מסביר מדוע צריך למקם קבלים קרמיים ליד השבב, מכיוון שלשבב יש תדירות מיתוג ומהירות מיתוג גבוהים יותר בהשוואה למעגל החשמל הראשי.
מנקודת מבט זו, אנו יכולים פשוט להגדיר שני תקני ביצועים עבור קבלים. האחד הוא כמה אנרגיה הקבל יכול לאגור, והשני הוא כמה מהר ניתן להעביר את האנרגיה הזו. שניהם תלויים בשיטת הייצור של הקבל, החומר הדיאלקטרי, החיבור עם הקבל וכן הלאה.
כאשר המתג במעגל סגור (ראה איור 2), זה מציין שהעומס זקוק לאנרגיה ממקור הכוח. המהירות שבה מתג זה נסגר קובעת את דחיפות הביקוש לאנרגיה. מכיוון שאנרגיה נעה במהירות האור (חצי ממהירות האור בחומרי FR4), לוקח זמן להעביר אנרגיה. בנוסף, קיימת אי התאמה של עכבה בין המקור לקו ההולכה והעומס. המשמעות היא שלעולם לא תועבר אנרגיה בנסיעה אחת, אלא במספר נסיעות הלוך ושוב5, וזו הסיבה שכאשר המתג יעבור במהירות, נראה עיכובים וצלצולים בצורת גל המיתוג.
איור 2: לוקח זמן לאנרגיה להתפשט בחלל; אי התאמה של עכבה גורמת למספר נסיעות הלוך ושוב של העברת אנרגיה.
העובדה שהעברת אנרגיה לוקחת זמן ומספר נסיעות הלוך ושוב אומרת לנו שעלינו להעביר את האנרגיה קרוב ככל האפשר לעומס, ועלינו למצוא דרך להעביר אותה במהירות. הראשון מושג בדרך כלל על ידי הפחתת המרחק הפיזי בין העומס, המתג והקבל. זה האחרון מושג על ידי איסוף קבוצת קבלים עם העכבה הקטנה ביותר.
תורת השדה מסבירה גם מה גורם לרעש במצב משותף. בקיצור, רעש מצב משותף נוצר כאשר דרישת האנרגיה של העומס אינה עומדת במהלך המעבר. לכן, האנרגיה המאוחסנת ברווח שבין העומס לבין המוליכים הסמוכים תסופק כדי לתמוך בדרישת הצעדים. הרווח בין העומס לבין המוליכים הסמוכים הוא מה שאנו מכנים קיבול טפילי/הדדי (ראה איור 2).
אנו משתמשים בדוגמאות הבאות כדי להדגים כיצד להשתמש בקבלים אלקטרוליטיים, קבלים קרמיים רב שכבתיים (MLCC) וקבלי סרט. הן תורת המעגל והן השדות משמשות כדי להסביר את הביצועים של קבלים נבחרים.
קבלים אלקטרוליטים משמשים בעיקר בקישור DC כמקור האנרגיה העיקרי. הבחירה של קבלים אלקטרוליטי תלויה לעתים קרובות ב:
עבור ביצועי EMC, המאפיינים החשובים ביותר של קבלים הם מאפייני עכבה ותדר. פליטות המוליכות בתדר נמוך תלויות תמיד בביצועים של קבל הקישור DC.
העכבה של קישור ה-DC תלויה לא רק ב-ESR וב-ESL של הקבל, אלא גם בשטח של הלולאה התרמית, כפי שמוצג באיור 3. אזור לולאה תרמית גדול יותר פירושו שהעברת האנרגיה לוקחת זמן רב יותר, ולכן הביצועים יושפע.
ממיר DC-DC שהולך למטה נבנה כדי להוכיח זאת. מערך בדיקת ה-EMC שלפני התאימות המוצג באיור 4 מבצע סריקת פליטה בין 150kHz ל-108MHz.
חשוב לוודא שהקבלים המשמשים במחקר מקרה זה הם כולם מאותו יצרן כדי למנוע הבדלים במאפייני העכבה. בעת הלחמת הקבל על ה-PCB, יש לוודא שאין מובילים ארוכים, שכן הדבר יגדיל את ה-ESL של הקבל. איור 5 מציג את שלוש התצורות.
תוצאות הפליטה של ​​שלוש התצורות הללו מוצגות באיור 6. ניתן לראות שבהשוואה לקבל בודד של 680 µF, שני קבלי ה-330 µF משיגים ביצועי הפחתת רעש של 6 dB בטווח תדרים רחב יותר.
מתורת המעגלים ניתן לומר שעל ידי חיבור שני קבלים במקביל, הן ESL והן ESR מצטמצמות לחצי. מנקודת המבט של תורת השדה, יש לא רק מקור אנרגיה אחד, אלא שני מקורות אנרגיה מסופקים לאותו עומס, מה שמפחית למעשה את זמן העברת האנרגיה הכולל. עם זאת, בתדרים גבוהים יותר, ההבדל בין שני קבלים של 330 µF וקבל אחד של 680 µF יתכווץ. הסיבה לכך היא שרעש בתדר גבוה מצביע על תגובת אנרגיית צעד לא מספקת. כאשר מעבירים קבל 330 µF קרוב יותר למתג, אנו מצמצמים את זמן העברת האנרגיה, מה שמגדיל למעשה את תגובת הצעד של הקבל.
התוצאה מלמדת אותנו לקח חשוב מאוד. הגדלת הקיבול של קבל בודד לא תתמוך בדרך כלל בדרישת הצעד ליותר אנרגיה. במידת האפשר, השתמש ברכיבים קיבוליים קטנים יותר. יש הרבה סיבות טובות לכך. הראשון הוא עלות. באופן כללי, עבור אותו גודל חבילה, העלות של קבל עולה באופן אקספוננציאלי עם ערך הקיבול. שימוש בקבל בודד עשוי להיות יקר יותר משימוש במספר קבלים קטנים יותר. הסיבה השנייה היא הגודל. הגורם המגביל בעיצוב המוצר הוא בדרך כלל גובה הרכיבים. עבור קבלים בעלי קיבולת גדולה, הגובה לרוב גדול מדי, מה שלא מתאים לעיצוב המוצר. הסיבה השלישית היא ביצועי ה-EMC שראינו במחקר המקרה.
גורם נוסף שיש לקחת בחשבון בעת ​​שימוש בקבלים אלקטרוליטי הוא שכאשר אתה מחבר שני קבלים בסדרה כדי לחלוק את המתח, תזדקק לנגד איזון 6.
כפי שהוזכר קודם לכן, קבלים קרמיים הם מכשירים מיניאטוריים שיכולים לספק אנרגיה במהירות. לעתים קרובות שואלים אותי השאלה "כמה קבלים אני צריך?" התשובה לשאלה זו היא שעבור קבלים קרמיים, ערך הקיבול לא צריך להיות כל כך חשוב. השיקול החשוב כאן הוא לקבוע באיזה תדר מהירות העברת האנרגיה מספיקה ליישום שלך. אם הפליטה המוליכה נכשלת ב-100 מגה-הרץ, אז הקבל עם העכבה הקטנה ביותר ב-100 מגה-הרץ יהיה בחירה טובה.
זוהי עוד אי הבנה של MLCC. ראיתי מהנדסים משקיעים אנרגיה רבה בבחירת קבלים קרמיים עם ה-ESR וה-ESL הנמוכים ביותר לפני חיבור הקבלים לנקודת הייחוס של RF דרך עקבות ארוכות. ראוי להזכיר שה-ESL של MLCC בדרך כלל נמוך בהרבה משראות החיבור על הלוח. השראות החיבור היא עדיין הפרמטר החשוב ביותר המשפיע על עכבת התדר הגבוה של קבלים קרמיים7.
איור 7 מציג דוגמה גרועה. עקבות ארוכים (אורך 0.5 אינץ') מציגים השראות של 10nH לפחות. תוצאת הסימולציה מראה שהעכבה של הקבל הופכת גבוהה בהרבה מהצפוי בנקודת התדר (50 מגה-הרץ).
אחת הבעיות עם MLCCs היא שהם נוטים להדהד עם המבנה האינדוקטיבי על הלוח. ניתן לראות זאת בדוגמה המוצגת באיור 8, שבה השימוש ב-10 µF MLCC מציג תהודה ב-300 קילו-הרץ בערך.
אתה יכול להפחית תהודה על ידי בחירת רכיב עם ESR גדול יותר או פשוט לשים נגד ערך קטן (כגון 1 אוהם) בסדרה עם קבל. שיטה מסוג זה משתמשת ברכיבים מאבדים כדי לדכא את המערכת. שיטה נוספת היא להשתמש בערך קיבול אחר כדי להעביר את התהודה לנקודת תהודה נמוכה או גבוהה יותר.
קבלי סרט משמשים ביישומים רבים. הם הקבלים המועדפים עבור ממירי DC-DC בעלי הספק גבוה ומשמשים כמסנני דיכוי EMI על פני קווי מתח (AC ו-DC) ותצורות סינון במצב משותף. אנו לוקחים קבל X כדוגמה כדי להמחיש כמה מהנקודות העיקריות של שימוש בקבלי סרט.
אם מתרחש אירוע נחשול, זה עוזר להגביל את מתח שיא המתח על הקו, ולכן הוא משמש בדרך כלל עם מדכא מתח חולף (TVS) או ורייסטור תחמוצת מתכת (MOV).
אולי אתה כבר יודע את כל זה, אבל האם ידעת שניתן להפחית משמעותית את ערך הקיבול של קבל X עם שנים של שימוש? זה נכון במיוחד אם הקבל משמש בסביבה לחה. ראיתי את ערך הקיבול של קבל ה-X יורד רק לאחוזים בודדים מהערך המדורג שלו תוך שנה או שנתיים, כך שהמערכת שתוכננה במקור עם קבל ה-X איבדה למעשה את כל ההגנה שאולי יש לקבל הקדמי.
אז מה קרה? אוויר לחות עלול לדלוף לתוך הקבל, במעלה החוט ובין הקופסה לתרכובת האפוקסי. לאחר מכן ניתן לחמצן את מתכת האלומיניום. אלומינה היא מבודד חשמלי טוב, ובכך מפחית את הקיבול. זו בעיה שכל קבלי הסרט יתקלו בה. הנושא שאני מדבר עליו הוא עובי הסרט. מותגי קבלים מוכרים משתמשים בסרטים עבים יותר, וכתוצאה מכך מקבלים קבלים גדולים יותר מאשר מותגים אחרים. הסרט הדק יותר הופך את הקבל לחזק פחות לעומס יתר (מתח, זרם או טמפרטורה), ולא סביר שהוא ירפא את עצמו.
אם הקבל X אינו מחובר באופן קבוע לספק הכוח, אז אתה לא צריך לדאוג. לדוגמה, עבור מוצר שיש לו מתג קשיח בין ספק הכוח לבין הקבל, הגודל עשוי להיות חשוב מהחיים, ואז אתה יכול לבחור קבל דק יותר.
עם זאת, אם הקבל מחובר באופן קבוע למקור הכוח, הוא חייב להיות אמין ביותר. החמצון של קבלים אינו בלתי נמנע. אם חומר האפוקסי של הקבל הוא באיכות טובה והקבל אינו חשוף לעיתים קרובות לטמפרטורות קיצוניות, הירידה בערך צריכה להיות מינימלית.
במאמר זה, הציג לראשונה את תפיסת תורת השדות של קבלים. דוגמאות מעשיות ותוצאות סימולציה מראות כיצד לבחור ולהשתמש בסוגי הקבלים הנפוצים ביותר. מקווה שמידע זה יכול לעזור לך להבין את תפקידם של קבלים בתכנון אלקטרוני ו-EMC בצורה מקיפה יותר.
ד"ר מין ג'אנג הוא המייסד והיועץ הראשי של EMC של Mach One Design Ltd, חברת הנדסה שבסיסה בבריטניה המתמחה בייעוץ, איתור תקלות והדרכה EMC. הידע המעמיק שלו באלקטרוניקה כוח, אלקטרוניקה דיגיטלית, מנועים ועיצוב מוצרים הועיל לחברות ברחבי העולם.
In Compliance הוא המקור העיקרי לחדשות, מידע, חינוך והשראה עבור אנשי מקצוע בתחום הנדסת חשמל ואלקטרוניקה.
תעופה וחלל רכב תקשורת צרכנות אלקטרוניקה השכלה אנרגיה וכוח תעשיית מידע טכנולוגיה רפואית צבאית והגנה לאומית