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Princípios de projeto e considerações para capacitores eletrolíticos de alta frequência e baixa impedância
Capacitores eletrolíticos de alta frequência e baixa impedância são um novo tipo de capacitor desenvolvido para atender às necessidades de fontes de alimentação chaveadas de alta frequência e alta velocidade e circuitos digitais. Eles apresentam baixa perda, excelentes características de alta frequência e menor impedância em altas frequências (cerca de 1/3 a 1/2 dos produtos padrão). Eles também permitem uma corrente de ondulação mais alta. O grau de desempenho desses capacitores é normalmente definido por sua impedância (Z) ou resistência em série equivalente (ESR) a 100 kHz, bem como pela corrente de ondulação máxima permitida.
1. A importância prática dos capacitores eletrolíticos de alta frequência e baixa impedância
1.1 O circuito em série equivalente de um capacitor real
Um capacitor eletrolítico real pode ser modelado como um circuito em série que compreende capacitância (C), resistência série equivalente (ESR) e indutância série equivalente (ESL).
1.2 A relação entre frequência e impedância
O ESR de um capacitor diminui à medida que a frequência aumenta, mas seu fator de dissipação (
) aumenta. A redução da VHS ajuda a mitigar o aumento da
com frequência.
A impedância (Z) de um capacitor reflete totalmente os efeitos de ESR e ESL na frequência.
Na frequência de ressonância (
), Z está no seu mínimo.
representa a frequência mais alta na qual o componente funciona efetivamente como um capacitor. Acima desse ponto, ele perde suas propriedades capacitivas.
Em altas frequências, se o ESL for desprezível, Z é aproximadamente igual ao ESR. Neste caso, Z tem uma forte correlação com
.
Portanto, um Z e ESR mais baixos em altas frequências resultam em um menor
, o que ajuda a aumentar a corrente de ondulação permitida, reduzir o aumento de temperatura, diminuir a geração de calor e prolongar a vida útil do capacitor.
1.3 Eficiência de filtragem
A eficiência da filtragem está diretamente relacionada à tensão de ondulação:
. Para a mesma corrente de ondulação, um Z menor leva a uma tensão de ondulação menor e melhor desempenho de filtragem.
2. Projeto e considerações para capacitores eletrolíticos de alta frequência e baixa impedância
2.1 Requisitos básicos
Miniaturização: Deve estar alinhada à tendência de dispositivos eletrônicos menores.
Desempenho de alta frequência: deve ter como objetivo maximizar a frequência de ressonância (
) e melhorar as características de alta frequência, principalmente reduzindo o ESL e, ao mesmo tempo, diminuindo
.
Baixo Z/ESR: Minimizar Z ou ESR não só melhora a filtragem, mas também ajuda a reduzir o aumento da temperatura (potência térmica
) e aumenta a capacidade de corrente de ondulação.
2.2 Capacitores eletrolíticos de baixa tensão, alta frequência e baixa impedância
1. Miniaturização
Para obter um tamanho menor, deve-se utilizar uma folha de alta capacitância. No entanto, a alta capacitância aumenta a resistência da folha, o que prejudica uma baixa ESR. É preciso encontrar um equilíbrio. Folhas especializadas para capacitores de alta frequência e baixa impedância foram desenvolvidas para resolver esse problema. Elas visam alta capacitância com resistência mínima da folha, concentrando-se em técnicas de corrosão e conformação. Isso envolve a melhoria da qualidade do filme de óxido e seu coeficiente de tensão, o que, por sua vez, aumenta a capacitância para uma determinada tensão.
2. Desempenho de alta frequência
Reduzir o ESL é fundamental para melhorar o desempenho em altas frequências. A indutância de um capacitor vem de seus terminais e de seus enrolamentos internos (o núcleo).
Indutância do Cabo: Para capacitores com terminais, cabos grossos e curtos ajudam a reduzir a indutância. Para capacitores com abas internas, a indutância da aba depende do seu comprimento, largura e espessura, bem como do número de abas. Uma aba mais longa significa maior indutância; mais abas resultam em menor indutância.
Indutância do núcleo: A indutância do núcleo é proporcional à razão entre o comprimento (l) e a largura (w) da folha. Quando l/w = 23, a indutância do núcleo está no seu mínimo. Assim, um núcleo longo e estreito geralmente tem menor indutância do que um curto e largo.
Além disso, métodos de enrolamento como projetos com múltiplos condutores, construções empilhadas ou enrolamentos cilíndricos de folha saliente podem ser usados para reduzir a indutância.
3. Redução de Z ou ESR
A ESR se origina principalmente da resistência do fio, da resistência de contato entre a folha e a aba, da resistência do eletrólito e da resistência do papel separador.
Cabos: Embora não sejam uma fonte significativa de resistência, os cabos devem ser de alta qualidade, com uma superfície lisa e um diâmetro que se ajuste bem ao plugue de vedação.
Abas: Abas de alta qualidade devem ser usadas em uma configuração grossa, curta ou de vários pares para reduzir a indutância, a resistência e evitar a corrosão por íons cloreto.
Resistência de contato da folha: soldagem a laser ou ultrassônica deve ser empregada para garantir uma ligação sólida entre o fio e a folha, reduzindo a resistência de contato.
Folha: A resistência da folha é determinada pelo seu comprimento. Folhas fortemente gravadas apresentam maior resistividade, mas esse efeito é minimizado com uma estrutura multiabas.
Eletrólito e papel separador: para reduzir a ESR, o foco principal dos capacitores de alta frequência e baixa impedância é obter eletrólitos de alta condutividade e papel separador de baixa densidade.
Eletrólito: eletrólitos à base de água têm condutividade muito maior do que os não aquosos.
Papel: Papel de menor densidade pode afetar sua resistência, levando ao desenvolvimento de papel padronizado. Isso também exige requisitos mais rigorosos para cortes de folhas sem rebarbas.
2.3 Capacitores eletrolíticos de média a alta tensão, alta frequência e baixa impedância
1. Necessidade
Capacitores de alta tensão (400-450 V) utilizados para filtragem de entrada em fontes chaveadas também precisam lidar com alguma ondulação de alta frequência. O uso de capacitores de alta tensão de alta frequência e baixa impedância ajuda a reduzir a impedância de alta frequência, o que melhora o efeito de filtragem de entrada, reduz o aumento de temperatura e aumenta a capacidade de corrente de ondulação e a vida útil. Isso tem impulsionado o desenvolvimento contínuo desse tipo de capacitor.
2. Considerações de design
Os requisitos básicos são os mesmos dos produtos de baixa tensão, mas a abordagem para solucioná-los difere. Como é difícil aumentar a condutividade de eletrólitos de alta tensão adicionando água, outros métodos, como o uso de sais eletrolíticos ramificados, devem ser empregados. O progresso no aumento da relação capacitância-volume de folhas de alta tensão também é mais lento. Como resultado, os requisitos para miniaturização em produtos de média e alta tensão devem ser mais flexíveis. Quando a condutividade do eletrólito é insuficiente, uma folha de menor capacitância pode ser usada para obter Z e ESR mais baixos. Para melhorar a vida útil e a resistência ao calor, folhas com uma tensão de formação mais alta também podem ser utilizadas.
Edifício 8&9&12,Fábrica de padronização de informações eletrônicas,Zona de Desenvolvimento Econômico de Susong,Província de Anhui,P. R.China.
R&Centro D: Sede Dongguan
centro de fabricação: Susong, Anqing, Anhui