Je conçois le circuit d'alimentation d'un système nécessitant plusieurs alimentations. Mes questions sont les suivantes:
Est-il possible de remplacer toutes les capsules électrolytiques (principalement 100 µF) par des capsules en céramique? Quelles sont les limites de la céramique?
Devrais-je utiliser une tension nominale 2x pour la céramique comme pour l'électrolyse?
Qu'en est-il du courant nominal d'ondulation? Est-ce un facteur important lors du choix de la céramique comme dans l'électrolyse?
Ajouté le 1/9/2014: plus d'informations sur les limitations de la céramique
J'ai trouvé cette excellente vidéo soumise par Dave sur EEVBlog montrant les limites des différents types de capuchons en céramique et la manière dont ils sont affectés par la tension appliquée et la tension de polarisation. La peine de regarder!
Réponses:
100 µF repousse vraiment les limites pour les bouchons en céramique. Si vos tensions sont faibles, de l'ordre de quelques volts à 10 ou peut-être à 20 volts, la mise en parallèle de plusieurs céramiques peut être raisonnable.
Les capuchons en céramique à haute capacité ont leurs propres avantages et inconvénients. Les avantages sont une résistance en série équivalente beaucoup plus faible et donc une capacité de courant d’ondulation beaucoup plus élevée, une utilité pour les fréquences plus élevées, une sensibilité à la chaleur moindre, une durée de vie bien meilleure et, dans la plupart des cas, une meilleure robustesse mécanique. Ils ont aussi leurs propres problèmes. La capacité peut se dégrader de manière significative avec la tension, et les céramiques plus denses (plus de stockage d’énergie par volume) présentent des effets piézo-électriques souvent appelés "microphoniques". Dans de mauvaises circonstances, cela peut entraîner une oscillation, mais c'est rare.
Pour les applications d'alimentation à découpage, la céramique représente généralement un meilleur compromis que les électrolytes, sauf si vous avez besoin d'une trop grande capacité. C'est parce qu'ils peuvent prendre beaucoup plus de courant d'ondulation et chauffer mieux. La durée de vie des électrolytes est sévèrement dégradée par la chaleur, ce qui pose souvent problème avec les alimentations électriques.
Il n'est pas nécessaire de dériver la céramique autant que les électrolytes, car la durée de vie de la céramique est beaucoup plus longue, pour commencer, et beaucoup moins fonction de la tension appliquée. La chose à surveiller avec la céramique est que les matériaux denses sont fabriqués à partir d’un matériau non linéaire, ce qui se traduit par une capacité réduite aux extrémités supérieures de la plage de tension.
Ajouté à propos de la microphonie:
Certains diélectriques changent physiquement de taille en fonction du champ électrique appliqué. Pour beaucoup, l'effet est si faible que vous ne le remarquez pas et qu'il peut être ignoré. Cependant, certaines céramiques présentent un effet suffisamment puissant pour que vous puissiez éventuellement entendre les vibrations résultantes. Habituellement, vous ne pouvez pas entendre un condensateur tout seul, mais comme ils sont soudés de manière assez rigide sur une carte, les petites vibrations du condensateur peuvent également faire vibrer la carte beaucoup plus grande, en particulier à une fréquence de résonance de la carte. Le résultat peut être assez audible.
Bien sûr, l’inverse fonctionne aussi puisque les propriétés physiques fonctionnent généralement dans les deux sens, et celui-ci ne fait pas exception. Étant donné que la tension appliquée peut modifier les dimensions du condensateur, modifier ses dimensions en appliquant une contrainte peut modifier sa tension à vide. En effet, le condensateur agit comme un microphone. Il peut capter les vibrations mécaniques auxquelles la carte est soumise et celles-ci peuvent se retrouver dans les signaux électriques de la carte. Pour cette raison, ces types de condensateurs sont évités dans les circuits audio haute sensibilité.
Pour plus d'informations sur la physique sous-jacente, recherchez les propriétés du titanate de baryum à titre d'exemple. C'est un diélectrique courant pour certaines capsules en céramique, car il possède des propriétés électriques souhaitables, notamment une densité d'énergie relativement bonne par rapport à la gamme des céramiques. Pour ce faire, l'atome de titane bascule entre deux états d'énergie. Cependant, la taille effective de l'atome diffère entre les deux états d'énergie, par conséquent la taille du réseau change et nous obtenons une déformation physique en fonction de la tension appliquée.
Anecdote:J'ai récemment rencontré ce problème de front. J'ai conçu un gizmo qui se connecte à la puissance DCC (Digital Command and Control) utilisée par les trains miniatures. Le DCC est un moyen de transmettre de la puissance, mais également des informations à un "matériel roulant" spécifique sur les voies. Il s’agit d’un signal de puissance différentiel allant jusqu’à 22 V. L’information est transmise en inversant la polarité avec une synchronisation spécifique. Le taux de retournement est d'environ 5-10 kHz. Pour obtenir le pouvoir, les appareils full wave rectifient cela. Mon appareil n'essayait pas de décoder les informations DCC, mais un peu de puissance. J'ai utilisé une seule diode pour rectifier la demi-onde du DCC sur un capuchon en céramique de 10 µF. Le statisme sur ce bouchon pendant le demi-cycle n’était que de 3 V environ, mais ce 3 Vpp était suffisant pour le faire chanter. Le circuit fonctionnait parfaitement, mais toute la planche émettait un gémissement assez énervant. C'était inacceptable dans un produit, ainsi, pour la version de production, cela a été changé pour une capsule électrolytique de 20 µF. J'avais initialement opté pour la céramique car elle était moins chère, plus petite et devait durer plus longtemps. Heureusement, il est peu probable que cet appareil soit utilisé à des températures élevées. La durée de vie du capuchon électrolytique devrait donc être bien meilleure que celle indiquée dans le pire des cas.
Je vois dans les commentaires que l'on discute des raisons pour lesquelles il est parfois difficile de changer d'alimentation. Une partie de cela pourrait être due aux capuchons en céramique, mais les composants magnétiques tels que les inducteurs peuvent également vibrer pour deux raisons. Premièrement, chaque bit de fil dans l'inducteur est soumis à une force proportionnelle au carré du courant qui le traverse. Cette force est latérale au fil, faisant vibrer la bobine si elle n’est pas bien tenue en place. Deuxièmement, il existe une propriété magnétique similaire à l'effet piézoélectrique électrostatique, appelée magnétostriction. Le matériau du noyau de l'inducteur peut légèrement changer de taille en fonction du champ magnétique appliqué. Les ferrites ne présentent pas cet effet très fortement, mais il y en a toujours un peu, et il peut y avoir d'autres matériaux dans le champ magnétique. J'ai déjà travaillé sur un produit utilisant l'effet magnétostrictif comme capteur magnétique. Et oui,
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Il y a plusieurs raisons de ne pas passer d'une conception d'électrolytique à une céramique qui n'ont pas encore été mentionnées:
Certaines conceptions de régulateurs linéaires exigent une ESR plus élevée de l'électrolytique sur leur condensateur de sortie pour maintenir leur stabilité.
Les céramiques sont moins robustes que les électrolytiques lorsqu'elles sont soumises à la flexion du panneau. En particulier dans les grandes tailles, par exemple à partir de 1206, comme vous en aurez besoin pour des valeurs supérieures à 10 - 20 uF avec un poids à vide raisonnable, les céramiques se fissurent facilement en cas de flexion du plateau. La flexion dommageable pourrait se produire sur le terrain, ou avec certaines méthodes permettant de séparer les planches du panneau dans lequel elles sont fabriquées.
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En réponse aux questions de derating d'OP et à la réponse précise d'Olin:
L'IPC-9592A (qui est une norme pour les dispositifs de conversion d'alimentation haute fiabilité) cite les directives de déclassement suivantes:
MLCC en céramique fixes:
Condensateurs électrolytiques en aluminium:
L' indice de durée de vie et d'endurance d'un condensateur électrolytique en aluminium est fonction de toutes ses contraintes - tension, courant ondulé et température ambiante. Si le bouchon est dans un bon flux d'air, cela peut prendre plus d'ondulation et maintenir une longue durée de vie. Une casquette chaude n'aura pas une longue vie.
Pour les condensateurs en céramique, il est également question de température. La température ambiante et le courant ondulé entraîneront une augmentation de la température. Cela ne veut pas dire que les céramiques ne vieillissent pas - certains matériaux diélectriques (matériaux de classe 2 tels que X7R et Y5V) se dégradent avec le temps - les matériaux de classe 1 sont largement immunisés contre ce phénomène .
En outre, comme l’a dit Olin, certains matériaux diélectriques souffrent d’un affaiblissement important de la capacité en fonction de la tension de polarisation continue. Encore une fois, les matériaux de classe 2 en souffrent, contrairement aux matériaux de classe 1.
Essentiellement, si vous utilisez l'un ou l'autre type de condensateur, maintenez la tension maximale sous 80% de la contrainte.
La RSE beaucoup plus faible des condensateurs céramiques (par rapport aux bouchons électrolytiques) a une implication sur la stabilité de la boucle de rétroaction. En supposant que votre convertisseur soit un commutateur et un filtre de sortie LC, un réseau de compensation de type 3 peut être nécessaire pour stabiliser le convertisseur.
La faible ESR provoque la diminution du gain en boucle ouverte à -40 dB / décade pendant un long intervalle (le zéro ESR est expulsé lorsque l'ESR chute), ce qui nécessite un gain de + 20 dB / décade dans le réseau de compensation pour le croisement de fréquence. être à -20 dB / décade (ce qui est l’un des trois critères de stabilité de boucle recherchés par les concepteurs techniques, ainsi que la marge de gain et la marge de phase).
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Je me trompe peut-être, mais le passage aux bouchons massifs en céramique créera un effet anti-résonance entre les bouchons massifs et les bouchons de découplage plus petits. À moins qu’ils ne soient choisis avec soin, l’inductance des bouchons massifs résonnera avec la capacité des bouchons de découplage. Cela ne se produit pas avec le tantale et les capsules électrolytiques, car la RSE de ces appareils atténue la résonance. Encore une fois, je peux me tromper car je n’ai jamais essayé cela dans la pratique.
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