tin tức

Tụ điện là một trong những linh kiện được sử dụng phổ biến nhất trên các bảng mạch. Khi số lượng thiết bị điện tử (từ điện thoại di động đến ô tô) tiếp tục tăng, nhu cầu về tụ điện cũng tăng theo. Đại dịch Covid 19 đã làm gián đoạn chuỗi cung ứng linh kiện toàn cầu từ chất bán dẫn đến linh kiện thụ động, tụ điện đang bị thiếu hụt1.
Các cuộc thảo luận về chủ đề tụ điện có thể dễ dàng được chuyển thành sách hoặc từ điển. Đầu tiên, có nhiều loại tụ điện khác nhau, chẳng hạn như tụ điện, tụ điện màng, tụ gốm, v.v. Khi đó, cùng một loại lại có những vật liệu cách điện khác nhau. Ngoài ra còn có các lớp khác nhau. Về cấu trúc vật lý, có loại tụ điện hai cực và tụ điện ba cực. Ngoài ra còn có một tụ điện loại X2Y, về cơ bản là một cặp tụ điện Y được gói gọn trong một. Còn siêu tụ điện thì sao? Thực tế là, nếu bạn ngồi xuống và bắt đầu đọc hướng dẫn lựa chọn tụ điện từ các nhà sản xuất lớn, bạn có thể dễ dàng dành cả ngày!
Vì bài viết này nói về những điều cơ bản nên tôi sẽ sử dụng một phương pháp khác như thường lệ. Như đã đề cập trước đó, bạn có thể dễ dàng tìm thấy hướng dẫn lựa chọn tụ điện trên trang web của nhà cung cấp 3 và 4, và các kỹ sư hiện trường thường có thể trả lời hầu hết các câu hỏi về tụ điện. Trong bài viết này, tôi sẽ không lặp lại những gì bạn có thể tìm thấy trên Internet mà sẽ trình bày cách chọn và sử dụng tụ điện thông qua các ví dụ thực tế. Một số khía cạnh ít được biết đến của việc lựa chọn tụ điện, chẳng hạn như sự suy giảm điện dung, cũng sẽ được đề cập. Sau khi đọc bài viết này, bạn hẳn đã hiểu rõ về công dụng của tụ điện.
Cách đây nhiều năm, khi tôi đang làm việc trong một công ty sản xuất thiết bị điện tử, chúng tôi có một câu hỏi phỏng vấn cho một kỹ sư điện tử công suất. Trên sơ đồ của sản phẩm hiện có, chúng tôi sẽ hỏi các ứng viên tiềm năng “Chức năng của tụ điện điện phân liên kết DC là gì?” và “Chức năng của tụ gốm nằm bên cạnh con chip là gì?” Chúng tôi hy vọng câu trả lời đúng là tụ điện bus DC dùng để lưu trữ năng lượng, tụ gốm dùng để lọc.
Câu trả lời “đúng” mà chúng tôi tìm kiếm thực sự cho thấy rằng mọi người trong nhóm thiết kế đều xem xét tụ điện từ góc độ mạch đơn giản, không phải từ góc độ lý thuyết trường. Quan điểm của lý thuyết mạch không sai. Ở tần số thấp (từ vài kHz đến vài MHz), lý thuyết mạch thường có thể giải thích rõ vấn đề. Điều này là do ở tần số thấp hơn, tín hiệu chủ yếu ở chế độ vi sai. Sử dụng lý thuyết mạch, chúng ta có thể thấy tụ điện như trong Hình 1, trong đó điện trở nối tiếp tương đương (ESR) và độ tự cảm nối tiếp tương đương (ESL) làm cho trở kháng của tụ thay đổi theo tần số.
Mô hình này giải thích đầy đủ hiệu suất của mạch khi mạch được chuyển mạch chậm. Tuy nhiên, khi tần suất tăng lên, mọi thứ càng trở nên phức tạp hơn. Tại một số điểm, thành phần bắt đầu thể hiện tính phi tuyến tính. Khi tần số tăng lên, mô hình LCR đơn giản có những hạn chế.
Ngày nay, nếu được hỏi câu hỏi phỏng vấn tương tự, tôi sẽ đeo kính quan sát lý thuyết trường và nói rằng cả hai loại tụ điện đều là thiết bị lưu trữ năng lượng. Sự khác biệt là tụ điện có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn tụ gốm. Nhưng về mặt truyền năng lượng, tụ gốm có thể truyền năng lượng nhanh hơn. Điều này giải thích tại sao cần phải đặt tụ gốm bên cạnh chip, vì chip có tần số chuyển mạch và tốc độ chuyển mạch cao hơn so với mạch nguồn chính.
Từ quan điểm này, chúng ta có thể xác định một cách đơn giản hai tiêu chuẩn hiệu suất cho tụ điện. Một là tụ điện có thể lưu trữ bao nhiêu năng lượng, và hai là năng lượng này có thể được truyền đi nhanh đến mức nào. Cả hai đều phụ thuộc vào phương pháp sản xuất tụ điện, vật liệu điện môi, kết nối với tụ điện, v.v.
Khi công tắc trong mạch đóng (xem Hình 2), điều đó cho biết tải cần năng lượng từ nguồn điện. Tốc độ đóng công tắc này quyết định mức độ cấp bách của nhu cầu năng lượng. Vì năng lượng truyền đi với tốc độ ánh sáng (bằng một nửa tốc độ ánh sáng trong vật liệu FR4) nên cần có thời gian để truyền năng lượng. Ngoài ra còn có sự không phù hợp về trở kháng giữa nguồn, đường truyền và tải. Điều này có nghĩa là năng lượng sẽ không bao giờ được truyền trong một chuyến mà trong nhiều chuyến khứ hồi5, đó là lý do tại sao khi chuyển đổi nhanh công tắc, chúng ta sẽ thấy độ trễ và tiếng chuông ở dạng sóng chuyển mạch.
Hình 2: Năng lượng cần có thời gian để truyền trong không gian; sự không phù hợp trở kháng gây ra nhiều chuyến truyền năng lượng.
Thực tế là việc cung cấp năng lượng cần có thời gian và nhiều chuyến đi khứ hồi cho chúng ta biết rằng chúng ta cần di chuyển năng lượng càng gần tải càng tốt và chúng ta cần tìm cách cung cấp năng lượng đó một cách nhanh chóng. Việc đầu tiên thường đạt được bằng cách giảm khoảng cách vật lý giữa tải, công tắc và tụ điện. Điều thứ hai đạt được bằng cách tập hợp một nhóm tụ điện có trở kháng nhỏ nhất.
Lý thuyết trường cũng giải thích nguyên nhân gây ra nhiễu chế độ chung. Tóm lại, nhiễu chế độ chung được tạo ra khi nhu cầu năng lượng của tải không được đáp ứng trong quá trình chuyển mạch. Do đó, năng lượng được lưu trữ trong không gian giữa tải và các dây dẫn gần đó sẽ được cung cấp để hỗ trợ nhu cầu bước đi. Khoảng không gian giữa tải và các dây dẫn gần đó được gọi là điện dung ký sinh/hỗ tương (xem Hình 2).
Chúng tôi sử dụng các ví dụ sau để minh họa cách sử dụng tụ điện, tụ gốm nhiều lớp (MLCC) và tụ điện màng. Cả lý thuyết mạch và trường đều được sử dụng để giải thích hiệu suất của các tụ điện được chọn.
Tụ điện chủ yếu được sử dụng trong liên kết DC làm nguồn năng lượng chính. Việc lựa chọn tụ điện thường phụ thuộc vào:
Đối với hiệu suất EMC, đặc tính quan trọng nhất của tụ điện là đặc tính trở kháng và tần số. Sự phát xạ dẫn tần số thấp luôn phụ thuộc vào hiệu suất của tụ điện liên kết DC.
Trở kháng của liên kết DC không chỉ phụ thuộc vào ESR và ESL của tụ điện mà còn phụ thuộc vào diện tích của vòng nhiệt, như trong Hình 3. Diện tích vòng nhiệt lớn hơn có nghĩa là việc truyền năng lượng mất nhiều thời gian hơn, do đó hiệu suất sẽ bị ảnh hưởng.
Bộ chuyển đổi DC-DC bước xuống được chế tạo để chứng minh điều này. Thiết lập thử nghiệm EMC trước khi tuân thủ được hiển thị trong Hình 4 thực hiện quét phát xạ được tiến hành trong khoảng từ 150kHz đến 108 MHz.
Điều quan trọng là phải đảm bảo rằng các tụ điện được sử dụng trong trường hợp này đều đến từ cùng một nhà sản xuất để tránh sự khác biệt về đặc tính trở kháng. Khi hàn tụ điện trên PCB, hãy đảm bảo không có dây dẫn dài vì điều này sẽ làm tăng ESL của tụ điện. Hình 5 cho thấy ba cấu hình.
Kết quả phát xạ dẫn của ba cấu hình này được thể hiện trong Hình 6. Có thể thấy rằng, so với một tụ điện 680 µF, hai tụ điện 330 µF đạt được hiệu suất giảm nhiễu 6 dB trên dải tần số rộng hơn.
Từ lý thuyết mạch, có thể nói rằng bằng cách mắc song song hai tụ điện, cả ESL và ESR đều giảm đi một nửa. Theo quan điểm lý thuyết trường, không chỉ có một nguồn năng lượng mà có hai nguồn năng lượng được cung cấp cho cùng một tải, giúp giảm thời gian truyền năng lượng tổng thể một cách hiệu quả. Tuy nhiên, ở tần số cao hơn, sự khác biệt giữa hai tụ 330 µF và một tụ 680 µF sẽ co lại. Điều này là do nhiễu tần số cao cho thấy đáp ứng năng lượng bước không đủ. Khi di chuyển tụ điện 330 µF đến gần công tắc hơn, chúng tôi giảm thời gian truyền năng lượng, điều này làm tăng hiệu quả phản ứng từng bước của tụ điện.
Kết quả cho chúng ta một bài học rất quan trọng. Việc tăng điện dung của một tụ điện nói chung sẽ không hỗ trợ nhu cầu từng bước về nhiều năng lượng hơn. Nếu có thể, hãy sử dụng một số thành phần điện dung nhỏ hơn. Có nhiều lý do chính đáng cho việc này. Đầu tiên là chi phí. Nói chung, với cùng một kích thước gói, giá thành của tụ điện tăng theo cấp số nhân với giá trị điện dung. Sử dụng một tụ điện có thể đắt hơn so với sử dụng nhiều tụ điện nhỏ hơn. Lý do thứ hai là kích thước. Yếu tố hạn chế trong thiết kế sản phẩm thường là chiều cao của các bộ phận. Đối với tụ điện công suất lớn, chiều cao thường quá lớn, không phù hợp với thiết kế sản phẩm. Lý do thứ ba là hiệu suất EMC mà chúng tôi đã thấy trong nghiên cứu điển hình.
Một yếu tố khác cần lưu ý khi sử dụng tụ điện là khi bạn mắc hai tụ điện nối tiếp để chia sẻ điện áp thì sẽ cần đến điện trở cân bằng 6.
Như đã đề cập trước đó, tụ gốm là thiết bị thu nhỏ có thể cung cấp năng lượng nhanh chóng. Tôi thường được hỏi câu hỏi “Tôi cần bao nhiêu tụ điện?” Câu trả lời cho câu hỏi này là đối với tụ gốm, giá trị điện dung không quá quan trọng. Việc cân nhắc quan trọng ở đây là xác định tốc độ truyền năng lượng ở tần số nào là đủ cho ứng dụng của bạn. Nếu phát xạ dẫn không đạt ở tần số 100 MHz thì tụ điện có trở kháng nhỏ nhất ở 100 MHz sẽ là lựa chọn tốt.
Đây là một sự hiểu lầm khác về MLCC. Tôi đã thấy các kỹ sư tốn rất nhiều công sức để lựa chọn tụ gốm có ESR và ESL thấp nhất trước khi kết nối tụ điện với điểm tham chiếu RF qua các đường dài. Điều đáng nói là ESL của MLCC thường thấp hơn nhiều so với độ tự cảm kết nối trên bo mạch. Độ tự cảm kết nối vẫn là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến trở kháng tần số cao của tụ gốm7.
Hình 7 cho thấy một ví dụ tồi. Các vết dài (dài 0,5 inch) có độ tự cảm ít nhất là 10nH. Kết quả mô phỏng cho thấy trở kháng của tụ điện trở nên cao hơn nhiều so với dự kiến ​​tại điểm tần số (50 MHz).
Một trong những vấn đề với MLCC là chúng có xu hướng cộng hưởng với cấu trúc quy nạp trên bảng. Có thể thấy điều này trong ví dụ ở Hình 8, trong đó việc sử dụng MLCC 10 µF tạo ra hiện tượng cộng hưởng ở tần số khoảng 300 kHz.
Bạn có thể giảm sự cộng hưởng bằng cách chọn một thành phần có ESR lớn hơn hoặc chỉ cần đặt một điện trở có giá trị nhỏ (chẳng hạn như 1 ohm) nối tiếp với một tụ điện. Loại phương pháp này sử dụng các thành phần bị mất để ngăn chặn hệ thống. Một phương pháp khác là sử dụng giá trị điện dung khác để di chuyển cộng hưởng đến điểm cộng hưởng thấp hơn hoặc cao hơn.
Tụ điện phim được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Chúng là tụ điện được lựa chọn cho bộ chuyển đổi DC-DC công suất cao và được sử dụng làm bộ lọc triệt tiêu EMI trên các đường dây điện (AC và DC) cũng như cấu hình lọc chế độ chung. Chúng tôi lấy tụ điện X làm ví dụ để minh họa một số điểm chính của việc sử dụng tụ điện màng.
Nếu xảy ra đột biến, nó giúp hạn chế ứng suất điện áp cực đại trên đường dây, do đó, nó thường được sử dụng với bộ triệt điện áp nhất thời (TVS) hoặc biến trở oxit kim loại (MOV).
Có thể bạn đã biết tất cả những điều này, nhưng bạn có biết rằng giá trị điện dung của tụ điện X có thể giảm đáng kể sau nhiều năm sử dụng không? Điều này đặc biệt đúng nếu tụ điện được sử dụng trong môi trường ẩm ướt. Tôi đã thấy giá trị điện dung của tụ X chỉ giảm xuống vài phần trăm giá trị định mức của nó trong vòng một hoặc hai năm, vì vậy hệ thống được thiết kế ban đầu với tụ X thực sự đã mất tất cả khả năng bảo vệ mà tụ điện phía trước có thể có.
Vậy chuyện gì đã xảy ra? Không khí ẩm có thể rò rỉ vào tụ điện, lên dây và giữa hộp và hợp chất bầu epoxy. Quá trình kim loại hóa nhôm sau đó có thể bị oxy hóa. Alumina là chất cách điện tốt, do đó làm giảm điện dung. Đây là vấn đề mà tất cả các tụ điện phim đều sẽ gặp phải. Vấn đề tôi đang nói đến là độ dày của màng. Các hãng tụ điện uy tín sử dụng màng dày hơn nên tụ điện có kích thước lớn hơn các hãng khác. Lớp màng mỏng hơn làm cho tụ điện kém bền hơn trước tình trạng quá tải (điện áp, dòng điện hoặc nhiệt độ) và khó có khả năng tự phục hồi.
Nếu tụ điện X không được kết nối vĩnh viễn với nguồn điện thì bạn không cần phải lo lắng. Ví dụ: đối với một sản phẩm có công tắc cứng giữa nguồn điện và tụ điện, kích thước có thể quan trọng hơn tuổi thọ và khi đó bạn có thể chọn tụ điện mỏng hơn.
Tuy nhiên, nếu tụ điện được nối cố định với nguồn điện thì nó phải có độ tin cậy cao. Việc tụ điện bị oxy hóa là điều không thể tránh khỏi. Nếu vật liệu epoxy của tụ điện có chất lượng tốt và tụ điện không thường xuyên tiếp xúc với nhiệt độ khắc nghiệt thì mức giảm giá trị sẽ ở mức tối thiểu.
Trong bài viết này, lần đầu tiên giới thiệu quan điểm lý thuyết trường của tụ điện. Các ví dụ thực tế và kết quả mô phỏng chỉ ra cách lựa chọn và sử dụng các loại tụ điện thông dụng nhất. Hy vọng thông tin này có thể giúp bạn hiểu rõ hơn về vai trò của tụ điện trong thiết kế điện tử và EMC một cách toàn diện hơn.
Tiến sĩ Min Zhang là người sáng lập và cố vấn trưởng về EMC của Mach One Design Ltd, một công ty kỹ thuật có trụ sở tại Vương quốc Anh chuyên về tư vấn, xử lý sự cố và đào tạo về EMC. Kiến thức chuyên sâu của ông về điện tử công suất, điện tử kỹ thuật số, động cơ và thiết kế sản phẩm đã mang lại lợi ích cho các công ty trên khắp thế giới.
In Tuân thủ là nguồn tin tức, thông tin, giáo dục và nguồn cảm hứng chính cho các chuyên gia kỹ thuật điện và điện tử.
Hàng không vũ trụ Ô tô Truyền thông Điện tử tiêu dùng Giáo dục Công nghiệp năng lượng và điện Công nghệ thông tin Y tế Quân đội và Quốc phòng