Принципы и особенности проектирования высокочастотных электролитических конденсаторов с низким импедансом

Высокочастотные электролитические конденсаторы с низким импедансом — это новый тип конденсаторов, разработанный для высокочастотных, высокоскоростных импульсных источников питания и цифровых схем. Они отличаются низкими потерями, превосходными высокочастотными характеристиками и пониженным импедансом на высоких частотах (примерно в 1/3–1/2 раза ниже, чем у стандартных изделий). Они также допускают более высокий ток пульсаций. Класс эффективности этих конденсаторов обычно определяется их импедансом (Z) или эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) на частоте 100 кГц, а также максимально допустимым током пульсаций.

1. Практическое значение высокочастотных электролитических конденсаторов с низким импедансом

1.1 Эквивалентная последовательная цепь реального конденсатора

Реальный электролитический конденсатор можно смоделировать как последовательную цепь, включающую емкость (C), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL).

1.2 Соотношение между частотой и импедансом

• ESR конденсатора уменьшается с ростом частоты, но его коэффициент рассеяния (

  тангенс δ

  ) повышается. Снижение СОЭ помогает смягчить повышение

  тангенс δ

  с частотой.

• Сопротивление (Z) конденсатора полностью отражает влияние ESR и ESL на частоту.

• На резонансной частоте (

  f0​

  ), Z находится на минимуме.

  f0​

  представляет собой максимальную частоту, при которой компонент эффективно функционирует как конденсатор. Выше этого значения он теряет свои ёмкостные свойства.

• На высоких частотах, если ESL пренебрежимо мал, Z приблизительно равен ESR. В этом случае Z имеет сильную корреляцию с

  тангенс δ

  .

Следовательно, более низкий Z и ESR на высоких частотах приводит к меньшему

, что помогает увеличить допустимый ток пульсации, снизить повышение температуры, уменьшить тепловыделение и продлить срок службы конденсатора.

1.3 Эффективность фильтрации

Эффективность фильтрации напрямую связана с пульсирующим напряжением:

. При том же токе пульсаций меньшее значение Z приводит к меньшему напряжению пульсаций и лучшей эффективности фильтрации.

2. Конструкция и особенности высокочастотных электролитических конденсаторов с низким импедансом

2.1 Основные требования

• Миниатюризация: должна соответствовать тенденции к уменьшению размеров электронных устройств.

• Высокочастотные характеристики: необходимо стремиться к максимальному увеличению резонансной частоты (

  f0​

  ) и улучшить высокочастотные характеристики, в первую очередь за счет снижения ESL, а также снижения

  тангенс δ

  .

• Низкое отношение Z/ESR: минимизация Z или ESR не только улучшает фильтрацию, но и помогает снизить повышение температуры (тепловую мощность)

  P=I 2​⋅СОЭ

  ) и увеличивает способность выдерживать пульсирующий ток.

2.2 Низковольтные, высокочастотные, низкоомные электролитические конденсаторы

1. Миниатюризация

Для уменьшения размера следует использовать фольгу с высокой ёмкостью. Однако высокая ёмкость увеличивает сопротивление фольги, что негативно сказывается на низком эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR). Необходимо найти баланс. Для решения этой проблемы были разработаны специальные фольги для высокочастотных конденсаторов с низким импедансом. Они обеспечивают высокую ёмкость при минимальном сопротивлении фольги благодаря использованию методов травления и формовки. Это предполагает улучшение качества оксидной плёнки и её коэффициента напряжения, что, в свою очередь, увеличивает ёмкость при заданном напряжении.

2. Высокочастотные характеристики

Снижение ESL — ключ к улучшению характеристик на высоких частотах. Индуктивность конденсатора определяется его выводами и внутренними обмотками (сердечником).

• Индуктивность выводов: Для конденсаторов с выводами толстые и короткие выводы помогают снизить индуктивность. Для конденсаторов с внутренними выводами индуктивность вывода зависит от его длины, ширины и толщины, а также от количества выводов. Более длинный вывод означает большую индуктивность; большее количество выводов приводит к меньшей индуктивности.

• Индуктивность сердечника: Индуктивность сердечника пропорциональна отношению длины фольги (l) к её ширине (w). При l/w = 23 индуктивность сердечника минимальна. Таким образом, длинный и узкий сердечник обмотки обычно имеет меньшую индуктивность, чем короткий и широкий.

Кроме того, для снижения индуктивности можно использовать такие методы намотки, как многовыводные конструкции, многоярусные конструкции или выступающие цилиндрические обмотки из фольги.

3. Снижение Z или СОЭ

ESR в первую очередь определяется сопротивлением свинца, контактным сопротивлением между фольгой и выводом, сопротивлением электролита и сопротивлением разделительной бумаги.

• Выводы: хотя они и не являются значительным источником сопротивления, выводы должны быть высококачественными, с гладкой поверхностью и диаметром, хорошо подходящим к уплотнительной заглушке.

• Выводы: Для снижения индуктивности, сопротивления и предотвращения коррозии, вызываемой хлорид-ионами, следует использовать высококачественные выводы в толстой, короткой или многопарной конфигурации.

• Контактное сопротивление фольги: Для обеспечения прочного соединения вывода с фольгой следует использовать лазерную или ультразвуковую сварку, что снижает контактное сопротивление.

• Фольга: Сопротивление фольги определяется её длиной. Глубоко протравленная фольга имеет более высокое удельное сопротивление, но этот эффект минимизируется благодаря многослойной структуре.

• Электролит и разделительная бумага: для снижения ESR основное внимание уделяется высокочастотным конденсаторам с низким импедансом, а именно получению электролитов с высокой проводимостью и разделительной бумаги с низкой плотностью.

  • Электролит: Электролиты на водной основе имеют гораздо более высокую проводимость, чем неводные.

  • Бумага: Бумага меньшей плотности может снижать её прочность, что приводит к появлению узорчатой ​​бумаги. Это также обуславливает более строгие требования к резке фольги без заусенцев.

2.3 Электролитические конденсаторы среднего и высокого напряжения, высокой частоты, с низким импедансом

1. Необходимость

Высоковольтные конденсаторы (400–450 В), используемые для фильтрации входного сигнала в импульсных источниках питания, также должны справляться с некоторыми высокочастотными пульсациями. Использование высокочастотных конденсаторов с низким импедансом позволяет снизить высокочастотное сопротивление, что улучшает эффективность фильтрации входного сигнала, уменьшает нагрев и увеличивает допустимую нагрузку по току пульсаций и срок службы. Это способствовало непрерывному развитию этого типа конденсаторов.

2. Проектные соображения

Основные требования те же, что и для низковольтных изделий, но подход к их решению отличается. Поскольку повысить проводимость высоковольтных электролитов добавлением воды сложно, необходимо использовать другие методы, например, использование разветвлённых электролитных солей. Прогресс в увеличении отношения ёмкости к объёму высоковольтных фольг также идёт медленнее. В результате требования к миниатюризации средне- и высоковольтных изделий должны быть более гибкими. При недостаточной проводимости электролита можно использовать фольгу с меньшей ёмкостью для достижения более низких значений Z и ESR. Для увеличения срока службы и повышения термостойкости также можно использовать фольгу с более высоким формовочным напряжением.