Можно ли заменить все электролитические конденсаторы на керамические?

Я проектирую схему питания для системы, которая нуждается в нескольких источниках, мои вопросы:

• Можно ли заменить все электролитические колпачки (в основном 100 мкФ) на керамические? Каковы ограничения керамики?

• Должен ли я использовать 2x номинальное напряжение для керамики, как это сделано для электролита?

• Как насчет пульсации текущего рейтинга? Это важный фактор при выборе керамики, как в электролитической?

Добавлено 09.01.2014: Подробнее о керамических ограничениях

Я нашел это превосходное видео, представленное Дейвом в EEVBlog, показывающее ограничения различных типов керамических колпачков и то, как на них влияют приложенное напряжение и напряжение смещения. Стоит смотреть!

100 мкФ действительно расширяют границы для керамических колпачков. Если у вас низкое напряжение, например, от нескольких вольт до 10 или, может быть, 20 вольт, параллельное использование нескольких керамик может быть разумным.

Керамические колпачки с высокой емкостью имеют свои преимущества и недостатки. Преимуществами являются намного более низкое эквивалентное последовательное сопротивление и, следовательно, намного более высокая способность к пульсациям тока, полезность для более высоких частот, меньшая чувствительность к теплу, гораздо лучший срок службы и в большинстве случаев лучшая механическая прочность. У них тоже есть свои проблемы. Емкость может значительно ухудшиться с напряжением, и более плотная (больше аккумулируемая энергия на объем) керамика демонстрирует пьезоэффекты, часто называемые «микрофоникой». Только в неправильных обстоятельствах это может привести к колебаниям, но это происходит редко.

Для применений импульсного источника питания керамика обычно является лучшим компромиссом, чем электролиты, если вам не требуется слишком большая емкость. Это потому, что они могут выдерживать гораздо больший пульсационный ток и лучше нагреваться. Срок службы электролитов сильно ухудшается под воздействием тепла, что часто является проблемой с источниками питания.

Вам не нужно искажать керамику настолько сильно, как электролиты, потому что срок службы керамики намного больше, во-первых, и намного меньше зависит от приложенного напряжения. Керамика, на которую стоит обратить внимание, - это то, что плотные сделаны из нелинейного материала, который проявляется в уменьшенной емкости на верхних границах диапазона напряжения.

Добавлено о микрофонике:

Некоторые диэлектрики физически изменяют размер в зависимости от приложенного электрического поля. Для многих эффект настолько мал, что вы не замечаете его, и его можно игнорировать. Тем не менее, некоторые керамики проявляют достаточно сильный эффект, чтобы вы могли в конечном итоге услышать возникающие вибрации. Обычно, вы не можете слышать конденсатор сам по себе, но так как они довольно жестко припаяны к плате, небольшие вибрации конденсатора могут вызвать вибрацию платы гораздо большего размера, особенно на резонансной частоте платы. Результат может быть вполне слышимым.

Конечно, работает и обратное, поскольку физические свойства обычно работают в обоих направлениях, и этот не исключение. Поскольку приложенное напряжение может изменить размеры конденсатора, изменение его размеров путем приложения напряжения может изменить его напряжение холостого хода. По сути, конденсатор действует как микрофон. Он может воспринимать механические вибрации, которым подвергается плата, и они могут проникать в электрические сигналы на плате. По этой причине в высокочувствительных звуковых цепях этих конденсаторов избегают.

Для получения дополнительной информации о физике, стоящей за этим, посмотрите на свойства титаната бария в качестве примера. Это обычный диэлектрик для некоторых керамических колпачков, потому что он обладает желаемыми электрическими свойствами, особенно достаточно хорошей плотностью энергии по сравнению с керамикой. Это достигается за счет переключения атома титана между двумя энергетическими состояниями. Однако эффективный размер атома отличается между двумя энергетическими состояниями, следовательно, размер решетки изменяется, и мы получаем физическую деформацию в зависимости от приложенного напряжения.

Анекдот:Я недавно столкнулся с этим вопросом в лоб. Я разработал гизмо, которое подключается к мощности DCC (цифровое управление и управление), используемой модельными поездами. DCC - это способ передачи мощности, а также информации для конкретного «подвижного состава» на путях. Это сигнал дифференциальной мощности до 22 В. Информация передается путем изменения полярности с определенной синхронизацией. Частота переворачивания составляет примерно 5-10 кГц. Чтобы получить власть, устройства полной волны исправляют это. Мое устройство не пыталось декодировать информацию о DCC, просто получило немного энергии. Я использовал один диод для полуволн выпрямления DCC на керамической крышке 10 мкФ. Спад на этой кепке во время полупериода выключения составлял всего около 3 В, но этого было достаточно, чтобы заставить его петь. Схема работала отлично, но вся плата издавала довольно раздражающее скуление. Это было неприемлемо в продукте, поэтому для производственной версии это было изменено на электролитический колпачок на 20 мкФ. Первоначально я пошел с керамикой, потому что она была дешевле, меньше и должна иметь более длительный срок службы. К счастью, это устройство вряд ли будет использоваться при высоких температурах, поэтому срок службы электролитической крышки должен быть намного лучше, чем его наихудший рейтинг.

В комментариях видно, что иногда переключаются источники питания, ноют. Частично это может быть связано с керамическими крышками, но магнитные компоненты, такие как индукторы, также могут вибрировать по двум причинам. Во-первых, на каждый кусок провода в индукторе действует сила, пропорциональная квадрату тока через него. Эта сила направлена ​​к проводу, заставляя катушку вибрировать, если она не удерживается на месте. Во-вторых, существует магнитное свойство, подобное электростатическому пьезоэффекту, называемое магнитострикция. Материал сердечника индуктора может немного изменить размер в зависимости от приложенного магнитного поля. Ферриты не проявляют этот эффект очень сильно, но всегда есть немного, и в магнитном поле может быть другой материал. Однажды я работал над продуктом, который использовал магнитострикционный эффект в качестве магнитного датчика. И да,

Есть несколько причин не переключать дизайн с электролитического на керамический, которые еще не были упомянуты:

• Некоторые конструкции линейных регуляторов требуют более высокого ESR электролита на их выходном конденсаторе для поддержания стабильности.

• Керамика менее прочна, чем электролитическая, когда подвергается изгибу платы. Особенно в больших размерах, скажем, 1206 и выше, например, при значениях выше 10 - 20 мкФ при разумном WV, керамика легко трескается, если на плате есть изгибы. Повреждающее сгибание может произойти в полевых условиях, или это может произойти с некоторыми методами выделения досок из панели, в которой они изготовлены.

В соответствии с отрицательными вопросами ОП, а также в ответ на прекрасный ответ Олина:

В стандарте IPC-9592A (который является стандартом для высоконадежных устройств преобразования энергии) приводятся следующие рекомендации по снижению номинальных характеристик:

Фиксированные керамические MLCC:

• Постоянное напряжение <= 80% от рейтинга производителя
• Температура: минимум на 10 ° C ниже рейтинга производителя
• Размер: Размеры больше чем 1210 не рекомендуется из-за потенциала взлома

Алюминиевые электролитические конденсаторы:

• Напряжение постоянного тока <= 80% от номинала производителя (<= 90% для устройств с напряжением 250 В или выше)
• Срок службы / долговечность:> = 10 лет при 40 ° C, 80% нагрузки для устройств класса II (данные центра обработки данных) или 5 лет для устройств класса I (потребительский класс)

Срок службы / срок службы алюминиевого электролитического конденсатора зависит от всех его напряжений - напряжения, пульсаций тока и температуры окружающей среды. Если в колпачке хороший воздушный поток, он может стать более пульсирующим и поддерживать длительный срок службы. Горячая шапка не будет долго жить.

Для керамических конденсаторов это также о температуре. Температура окружающей среды и пульсация тока приведут к повышению температуры. Нельзя сказать, что керамика не стареет - некоторые диэлектрические материалы (материалы класса 2, такие как X7R и Y5V) со временем ухудшают емкость - материалы класса 1 в значительной степени защищены от этого.

Кроме того, как сказал Олин, некоторые диэлектрические материалы страдают от значительного снижения емкости в зависимости от напряжения смещения постоянного тока. Опять же, материалы класса 2 страдают от этого, материалы класса 1 в основном не страдают.

По сути, если вы используете конденсатор любого типа, держите максимальное напряжение ниже 80% от напряжения.

Гораздо более низкое значение ESR керамических конденсаторов (по сравнению с электроизолированными крышками) влияет на стабильность петли обратной связи. Предполагая, что ваш преобразователь будет коммутатором и будет иметь выходной LC-фильтр, для стабилизации преобразователя может потребоваться компенсационная сеть типа 3.

Низкое значение ESR приводит к спаду усиления в разомкнутом контуре на уровне -40 дБ / декада в течение длительного интервала (нулевое значение ESR выталкивается при падении ESR), что требует усиления + 20 дБ / декаду в сети компенсации для пересечения частоты быть на уровне -20 дБ / десятилетие (что является одним из трех критериев стабильности петли, которые ищут разработчики мощности, наряду с запасом усиления и запасом фазы).

Я могу ошибаться, но переключение на керамические колпачки создаст антирезонанс между колпачками и меньшими развязывающими колпачками. Если они не выбраны тщательно, индуктивность объемных колпачков будет резонировать с емкостью развязывающих колпачков. Этого не происходит с танталовой и электролитической крышками, потому что ESR этих устройств гасит резонанс. Опять же, я могу ошибаться, поскольку я никогда не пробовал это на практике.