CC BY
40Компоненты и технологии, № 5'2003
Новый тип чип-конденсатора X2Y широкого применения
фирмы Phycomp
Компания Phycomp (Yageo Group) приступила к выпуску новых керамических конденсаторов, названных конденсаторами X2Y. В статье рассматриваются основные особенности этих конденсаторов и различные области их применения.
Михаил Крюков
Особенности конструкции
Обычные конденсаторы, как известно, имеют две пластины (электроды), между которыми находится диэлектрический материал. Благодаря этому существует емкость между двумя проводящими пластинами компонента. Так выполняются, например, обычные керамические конденсаторы.
При создании конструкции конденсатора Х2У между двумя активными электродами, выведенными на противоположные стороны, добавляется еще один электрод. Появление дополнительной платы приводит к появлению емкостей между нею и каждым проводящим электродом. При этом имеются также паразитные емкости, связывающие внешние области компонента с основными электродами. Теперь к данной конструкции добавляют два экрана или платы — верхнюю и нижнюю. Образующиеся при этом клетки Фарадея окружают электроды, а паразитные емкости оказываются как бы в ловушке, оставаясь внутри компонента. Конструкция Х2У использует емкостную связь, которая заряжает вновь появившиеся электроды компонента, называемые земляными электродами, зарядами разных знаков. Последнее позволяет получить чрез-
вычаино низкии импеданс для помехи, отводимои на землю.
В обычном конденсаторе линии поля при их распределении выступают за края пластин, оказывая влияние на сигналы, проходящие по печатной плате и критичные к высоким частотам. Конструкция Х2У использует внутренние пластины, соединенные с землеи, для того, чтобы свести к минимуму линии поля, выходящие за торцы устройства. В этом случае размещение Х2У поблизости от высокочастотных сигналов, проходящих по плате, не является критичным.
При включении двух обычных конденсаторов параллельно, их емкость, как известно, суммируется, а импеданс соединительной земляной шины между двумя конденсаторами обязательно окажет влияние на резонансную частоту полученной конструкции, причем не в лучшую сторону. В конденсаторах Х2У дополнительные пластины, расположенные на каждой стороне, соединяются параллельно друг другу, чтобы уменьшить внутренний импеданс перед тем, как компонент будет подсоединен к земляной шине печатной платы. Внутренний импеданс земляной шины компонента включается параллельно к земле печатной платы. Следовательно, результирующий импеданс внутренний земляной шины и земляной шины, проходящей под платой Х2У, уменьшается приблизительно до половины наименьшего значения. Уменьшение импеданса между двумя конденсаторами, включаемыми параллельно, приводит к повышению результирующей резонансной частоты компонента, смонтированного на плате.
На рис. 1 показаны два обычных конденсатора, включенных параллельно, а также подключенный конденсатор Х2У, частотные зависимости их импе-дансов, из сравнения которых следует выигрыш-ность нового типа конденсатора при работе на частотах выше резонансной.
Несколько экспериментов показывают необходимость правильного подключения земли к Х2У. Измерения показали, что при испытаниях конденсатора Х2У емкостью 220 пФ в корпусе 1206 подключение двух земляных выводов конструкции позволяет уве-------www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 5'2003
личить резонансную частоту примерно на 80 МГц и существенно улучшить подавление по обе стороны от резонансной по сравнению с подключением только одного земляного вывода того же конденсатора. Правильное расположение единой земляной контактной площадки под X2Y обеспечивает еще меньший импеданс и дальнейшее уменьшение помех в схеме. Проведенные измерения помех показали, что X2Y остается емкостным компонентом в схеме далеко за теми частотными пределами, которые ожидались бы от обычных конденсаторов. Помехи создавались в широком диапазоне частот, включая микроволновую область (испытательная установка ограничивала частоту до 1200 МГц). Другой цикл измерений показал эффективность работы нового типа конденсатора вплоть до частоты 40 ГГц.
Подавление помех с использованием конденсаторов X2Y
Вначале дадим пояснения для двух типов помех, распространяющихся по проводам.
Несимметричная помеха (common mode) — помеха, имеющая одинаковую величину и фазу от каждого провода по отношению к земле. Этот вид помехи вызывается одной из следующих причин:
1. Электростатическая индукция. При равной емкости между проводами и близлежащим монтажом развиваемое напряжение помехи будет одним и тем же на обоих проводах.
2. Электромагнитная индукция. При одинаковой связи проводов с магнитным полем развиваемая помеха будет одинаковой по уровню на обоих проводах. Симметричная помеха (differential mode) —
помеха, появляющаяся под воздействием разности потенциалов на обоих проводах тракта передачи сигнала или энергии.
Рассмотрим более подробно подавление обоих видов помех.
Несимметричные помехи при использовании обычных конденсаторов
При использовании обычных конденсаторов они должны быть отобраны в процессе их производства с целью получения близкого допуска по емкости, что приводит к их удорожанию. Два обычных конденсатора монтируются на плате на одной стороне относительно зем-
ли, при этом, как результат монтажа, появляются последовательные индуктивности, и потенциал каждого из двух проводов относительно земли может изменяться в широких пределах.
Симметричные помехи при использовании обычных конденсаторов
Когда обычный конденсатор включается между линиями (проводами), фильтрация симметричной помехи эффективна только до резонансной частоты применяемого конденсатора, что сужает требуемый диапазон подавления. С целью расширения полосы подавления следует применять дополнительные конденсаторы.
Одновременное подавление обоих видов помех конденсаторами Х2У
Схемное решение Х2У содержит один «Х» конденсатор и два «У» конденсатора в одном компоненте, следовательно, в нем заключаются три обычных конденсатора, в результате чего Х2У способен фильтровать как несимметричную, так и симметричную составляющие (рис. 2).
Емкостное симметрирование
Как Х2У, так и обычные конденсаторы могут иметь различие в емкости двух конденсаторов до 20% при допуске 10% на каждый из них. Однако только в конденсаторе Х2У, подключаемом между двумя линиями, У-ем-кости конденсаторов, находящихся внутри компонента, имеют весьма незначительное различие, что позволяет получить исключительно хорошую симметрию между линиями по отношению к земле (рис. 3).
Заземление Х2У
Ниже описывается требуемый метод подключения при использовании компонента Х2У. Будет проведено сравнение с конструкцией стандартного конденсатора с тем, чтобы объяснить методологию подключения Х2У.
Стандартный конденсатор
Обычная технология изготовления конденсатора, содержащего две пластины, применяется много лет. Для увеличения емкости увели-
чивается количество разноименных пластин, которые подключаются к противоположным сторонам конструкции. Удачный монтаж такого компонента на плате находится интуитивным путем. Схема замещения стандартного конденсатора представляет собой сопротивление, индуктивность и емкость, включенные последовательно. В настоящее время все типы конденсаторов имеют элементы, включаемые последовательно с емкостью и этот элемент присущ конструкции конденсатора.
Для конденсаторов, модель которых представляет собой последовательное соединение И, Ь и С, точка минимального импеданса соответствует последовательному сопротивлению (Б8И) и определяет частоту, при которой Ь и С, образующие последовательную резонансную цепь, имеют одинаковые сопротивления. При фильтрации это можно охарактеризовать как точку, в которой имеет место максимальное подавление, как показано на рис. 4.
Вносимое затухание (ослабление)
Рис. 4
Как показано на рисунке, изменение емкости конденсатора приводит к изменению вносимого затухания и смещению точки резонанса по частоте. Однако существует новый альтернативный путь изменять вносимое затухание, не меняя значения емкости, посредством изменения конструкции компонента и способа его монтажа.
Схема Х2У и подключение компонента
Конструкция Х2У довольно необычна. Параллельно расположенные электроды располагаются между традиционными электродами различной полярности, тем самым образуется новая электрическая цепь. При таком выполнении стандартная схема замещения конденсатора в виде последовательной цепи ИСЬ преобразуется в параллельную структуру ИСЬ (рис. 5).
Компоненты и технологии, № 5'2003
С введением в структуру конденсатора новых электродов в конструкцию добавляются выводы на противоположные стороны внешней поверхности. Новые выводы в конструкции определяют получение оптимальных результатов при использовании X2Y в любой схеме. На первый взгляд, X2Y имеет вид стандартного развязывающего чип-конденсатора и совсем не очевидна необходимость применения новых выводов, расположенных на разных сторонах этого элемента, называемых G1 и G2 и подключаемых к плате. Опыты по измерению уровня подавления помех показывают обратное. Специальное контактирующее приспособление использовалось для последовательного подключения выводов G1 и G2 для того, чтобы показать происходящие изменения в уровне подавления. Изменения в получаемых результатах оказываются достаточно красноречивыми.
Полное отсутствие подавления несимметричной (common) помехи имеет место при подключении конденсатора X2Y между двумя проводами без заземления. При заземлении только одного из выводов G1 или G2 резонанс в частотной характеристике подавления наблюдается на частоте 300 МГц, уровень подавления 45 дБ. Хотя «земляные» электроды компонента подключены параллельно, внешнее
подключение схемы к выводу 01 (или 02) остается последовательным, как и в случае обычного конденсатора. При подключении обоих выводов 01 и 02 конденсатора, они оказываются включенными параллельно по отношению к внешней цепи. Резонансная частота теперь смещается до 380 МГц при большем уровне подавления (48 дБ).
Полученные результаты экспериментов показывают важность правильного продолжения структуры «земли» компонента по отношению к внешнему монтажу. Печать под конденсатором Х2У на плате и порядок его монтажа должны быть вполне определенными. Показано, что использование одной непрерывной контактной площадки под выводами 01 и 02 конденсатора в противоположность к использованию отдельных площадок того же назначения, позволяет снизить уровень помех и, следовательно, рассматривается как обязательный прием для получения оптимальных характеристик. Чтобы гарантировать параллельное подключение «земляных» выводов к плате, требуются как минимум две контактные площадки. Три контактные площадки улучшат подавление, поскольку при этом снизится индуктивность подсоединения компонента.
Возможные применения конденсаторов Х2У
Рассматриваемые конденсаторы позволяют улучшить показатели всего устройства, а также снизить стоимость посредством уменьшения количества компонентов на плате и уменьшения площади платы. Разводка контактных площадок для монтажа Х2У очень важна для получения наибольшей эффективности этого типа конденсаторов. В частности, важным яв-
ляется создание непрерывной дорожки под выводами G1 и G2, а минимальное число переходных отверстий к земляной плоскости равно двум.
Измерительный маломощный усилитель
Рассмотрим применение конденсаторов X2Y в этом типе устройств. На рис. 6 показано традиционное построение усилителя со стандартными компонентами.
В этом случае требуется 7 обычных конденсаторов для фильтрации, которые занимают значительное место на плате и вызывают повышение стоимости изготовления из-за необходимости их размещения. Кроме того, конденсаторы С1 и С2 должны быть с узким (±5%) допуском с тем, чтобы избежать ухудшения подавления несимметричной (common) помехи. При выполнении усилителя с конденсаторами X2Y (рис. 7) достигаются следующие преимущества:
• 7 обычных конденсаторов заменяются двумя конденсаторами X2Y.
• Один из конденсаторов X2Y заменяет дорогостоящие слюдяные или пленочные конденсаторы, которые должны иметь узкий допуск по емкости.
Как при традиционном построении, так и при использовании конденсаторов X2Y должны соблюдаться определенные требования к монтажу:
• Устройство должно выполняться при использовании печатной платы, имеющей внутренний земляной слой.
• Все соединения между компонентами должны быть максимально короткими.
• Резисторы R1 и R2 могут быть обычными металлопленочными с допуском ±1%.
Рис. 7
Компоненты и технологии, № 5'2003
Приемопередающее устройство •
В стандартном устройстве (рис. 8) обычные конденсаторы подключены последовательно и имеют узкую рабочую полосу.
При использовании конденсатора X2Y (рис. 9) выводы А и В непосредственно подключены к излучающему диоду.
Оба вывода G1 и G2 проходят к земле платы, причем под этими выводами проходит непрерывная дорожка. При использовании как обычных конденсаторов, так и конденсатора X2Y должны выдерживаться определенные требования:
• Должно обеспечиваться подавление шума на свето- и фотодиодах.
• Компоненты фильтра должны располагаться как можно ближе к выводам устройства.
• Емкости конденсаторов фильтров должны быть достаточно малы с тем, чтобы избежать искажения сигнала.
Операционные усилители
При стандартном выполнении фильтра на входе операционного усилителя (ОУ) (рис. 10) требуются три конденсатора, для их монтажа используется значительная площадь; кроме того, конденсаторы должны иметь узкий допуск по емкости для эффективной фильтрации несимметричной (common) составляющей.
При использовании конденсатора X2Y (рис. 11) появляются следующие преимущества:
• требуется только один конденсатор взамен трех;
• требуется меньше места на плате;
• конденсатор X2Y конструктивно выполняется с узким допуском на емкости;
• конденсатор X2Y эффективно функционирует в значительно более широком диапазоне, чем обычные конденсаторы.
В данном приложении при использовании как обычных конденсаторов, так и конденсатора X2Y необходимо соблюдать определенные требования:
• Конденсаторы должны располагаться в непосредственной близости к усилителю или компаратору.
Рис. 11
Все выводы конденсаторов или подводящие дорожки должны быть максимально короткими.
• Шунтирующее действие емкостей по отношению к земле должно быть по возможности одинаковым.
Устройство преобразования данных
Стандартное применение микросхемы 8С250/1 предполагает использование трех дорогостоящих компонентов на выходной шине — common дросселя и двух нелинейных конденсаторов, которые, кроме того, занимают большое место на плате. Применение конденсатора X2Y на выходе рассматриваемой микросхемы позволяет обойтись только одним конденсатором, требуется меньшая поверхность платы, эффективное подавление помех происходит в более широком частотном диапазоне.
Кварц
В обычном применении (рис. 12) требуются два точно подобранных по емкости конденсатора для лучшего симметрирования схемы с кварцем.
Преимущества при использовании в данном приложении конденсатора Х2У заключаются в следующем:
• требуется только один конденсатор;
• используется меньшая площадь платы;
• емкости конденсатора Х2У сбалансированы, то есть имеют узкий допуск;
• конденсатор Х2У функционирует в более широком спектре частот.
В обоих случаях, как с обычными конденсаторами, так и с конденсаторами Х2У, требуется выполнение определенных требований для реализации устройства:
• конденсатор следует располагать по возможности максимально близко к кварцу;
• желательно использование компонентов поверхностного монтажа для создания компактной конструкции;
• применяемые емкости конденсаторов должны иметь узкий допуск для лучшего функционирования устройства.
Датчик тока на основе эффекта Холла
Стандартное применение требует двух обычных конденсаторов, обеспечивающих, как правило, плохую фильтрацию по несимметричной (common) составляющей. При использовании одного конденсатора X2Y с емкостью 10 нФ улучшается фильтрация помехи по несимметричной составляющей, улучшаются динамические параметры датчика (рис. 13).
Применение в разъемах (коннекторах)
При стандартном использовании конденсаторов, применяемых совместно с разъемами для снижения уровня помех (рис. 14), обычно появляется несколько проблем:
• обычные конденсаторы, соединяемые с землей, эффективны только в узкой полосе частот;
• как правило, требуется применение ферри-товых сердечников для улучшения фильтрации;
• обычно требуется дополнительная фильтрация на плате.
Преимущества при использовании конденсаторов X2Y заключается в следующем:
• требуется вдвое меньшее количество конденсаторов;
Е Е
Рис. 14
Компоненты и технологии, № 5'2003
• повышается надежность;
• фильтрация эффективна в более широкой полосе частот;
• нет необходимости применения феррито-вых сердечников;
• конденсаторы X2Y позволяют снизить перекрестные помехи;
• возможность расширения производства. При использовании конденсаторов в разъемах следует учитывать следующее:
• конденсаторы целесообразно применять в тех случаях, где требуется фильтрация на высокой частоте;
• перекрестные помехи должны быть минимизированы;
• размеры фильтров должны удовлетворять требованию миниатюризации.
Многоплатные системы
Фильтрация с использованием стандартных конденсаторов требует учитывать следующее:
• конденсаторы действуют эффективно только в узкой полосе частот;
• в каждом случае требуется использование двух конденсаторов (по одному на каждую линию);
• может потребоваться дополнительная фильтрация.
Применение конденсаторов X2Y позволяет получить следующие преимущества:
• на оба провода питания, соединяющих две платы, требуется только один конденсатор;
• эффективность фильтра достигается в более широком диапазоне частот;
• отсутствует необходимость в дополнительной фильтрации;
Применение как обычных конденсаторов, так и конденсаторов X2Y, требует выполнения некоторых условий:
• фильтрующие конденсаторы следует использовать на всех входных и выходных проводах;
• наиболее подходящими являются конденсаторы поверхностного монтажа при минимальной длине соединительных проводников;
• допустимо применять низкие значения емкостей конденсаторов для сигнальных проводов, но необходимы их более высокие значения для мощных шин.
Удерживающие (bulk) конденсаторы для импульсных источников питания
Рассмотрим рис. 15, где показан фильтр источника питания и конденсатор на его выходе. При использовании обычных конденсаторов каждый из них эффективен только в узкой полосе частот. Кроме того, требуется большое число конденсаторов различных типов и емкостей. Конденсаторы X2Y, применяемые на входе и выходе источника питания, позволяют получить следующие преимущества:
• конденсаторы X2Y имеют меньшее значение последовательного сопротивления (ESR);
• требуется меньшее число компонентов при использовании конденсаторов X2Y;
• экономится площадь платы;
• возрастает надежность;
• фильтрация становится эффективной в более широкой полосе частот.
При любом типе применяемых конденсаторов необходимо использовать компоненты с возможно более низким значением последовательного сопротивления. При этом необходимо использовать контактные площадки и переходные отверстия с целью уменьшения длины проводников, что позволяет снизить их индуктивность.
Фильтр на выходе звукового усилителя
При стандартном применении фильтра требуется два проходных конденсатора, при этом появляется сопротивление по постоянному току в каждом выходном проводе. Выходная мощность в результате несколько снижается и, кроме того, фильтрация выполняется несимметрично.
При использовании конденсатора Х2У необходим только один такой компонент вместо двух или даже большего числа элементов. Наблюдается лучшая симметрия, допуск на емкость между каждым проводом и землей составляет меньше 3%. Температурный уход и изменения, связанные со старением, оказываются малыми, вследствие того, что Х2У выполняется в одном корпусе. Кроме того при использовании конденсатора Х2У имеет место более широкополосное затухание при фильтрации. Использование конденсатора Х2У в звуковом усилителе показано на рис. 16.
Требования по использованию конденсаторов в усилителе заключаются в следующем:
• необходимо применять фильтр в звуковом усилителе для удовлетворения существующих стандартов по помехам;
• необходимо применять компоненты поверхностного монтажа;
• элементы фильтра следует располагать как можно ближе к выходу усилителя для снижения возможности возникновения паразитной генерации;
• решение должно быть удовлетворительным по стоимости.
Применение конденсаторов Х2У в электродвигателях
Приведем несколько существенных замечаний по применению Х2У для снижения помех, создаваемых электродвигателем.
1. Важно понимать, что Х2Уявляется шунтирующим конденсатором.
Вследствие того что компонент имеет боковые, а не только торцевые выводы, его часто путают с конденсатором, через который проходит силовой провод, то есть с проходным конденсатором. Фильтрационные свойства Х2У значительно улучшены, поскольку такой конденсатор является элементом, воздействующим одновременно на два провода. Для максимального подавления помех оба земляных выхода соединены с землей (имеется в виду 01 и 02), импеданс конденсатора понижается, и резонансная частота согласно проведенным экспериментам сдвигается в область более высоких частот на 80 МГц, составляя 380 МГц вместо 300.
2. Х2У позволяет заменить элементы, используемые ранее для подавления помех (дроссели, Х- и У-конденсаторы больших размеров). Конденсатор Х2У емкостью 4,7 мкФ представляется лучшим выбором для того, чтобы начинать подавление помех в широкой полосе частот.
3. Необходимо обеспечить металлическое или металлизированное покрытие двигателя взамен пластикового (или пластмассового). Неэлектропроводящим останется только кожух двигателя. Металл необходим, поскольку при подсоединении Х2У с торца двигателя к его металлическому покрытию, последнее становится некоторой опорной поверхностью для устранения помех. При этом сам двигатель не нуждается в заземлении. Одним из примеров построения конструкций с металлическим покрытием и пластмассовым кожухом двигателя является следующий. Внутри пластмассового торцевого кожуха находятся металлизированные выступы, предназначенные для заземления. Они созда-
Компоненты и технологии, № 5'2003
ют контакт с металлическим покрытием двигателя, когда корпус двигателя и его торцевой изолирующий кожух соединены. Между силовыми проводами монтируется единственный Х2У, затем оба земляных вывода компонента припаиваются к контактам кожуха. Результаты измерений помех показали, что применение конденсатора Х2У совместно с двигателем, имеющим металлический корпус и пластмассовый кожух, позволило снизить уровень помех от 5 до 25 дБ по сравнению с традиционными способами подавления помех. Измерения проводились в диапазоне частот 100 кГц-1 ГГц.
4. Если это возможно, торцевой кожух выполняется металлическим. Поле вокруг двигателя снижается, металлический кожух работает как экран, помогающий удерживать помехи внутри двигателя. В результате применения металлизированного торцевого кожуха и конденсатора Х2У уровень помех двигателя омывателя лобового стекла автомобиля составил не более 5 дБ, что сопоставимо с естественным фоном. Полоса измерения составила 100 кГц-1 ГГц.
5. Для лучшего монтажа Х2У силовые провода, выходящие из двигателя, должны располагаться как можно ближе друг к другу.
6. Конденсатор Х2У наиболее эффективен, когда расположен в том месте металлизированного корпуса, где провода выходят из двигателя. Другими словами, Х2У дол-
Таблица 1. Краткие данные
жен быть последним компонентом, через который проходят помехи при выходе из двигателя (рис. 17).
Результаты, полученные при расположении Х2У как внутри двигателя, так и снаружи, (при этом Х2У располагается в непосредственной близости от выходящих из двигателя проводов) показали близкие результаты, при этом уровень помех находился на уровне естественного фона.
8. Следует обеспечить низкую индуктивность проводов, подходящих к выводам Х2У. Для уменьшения индуктивности дорожки, подходящие к компоненту, должны быть по возможности широкими, а затем сужаться при приближении к выводам Х2У. Выводы 01 и 02 конденсатора Х2У должны подключаться к одной и той же дорожке с низким импедансом. Такая дорожка между указанными выводами уменьшает индуктивность, образующуюся при подключении конденсатора. При таком монтаже получается параллельное подключение земляных электродов Х2У, в результате чего снижается импеданс по отношению к земле (или корпусу двигателя) (рис. 18).
Когда провода, подходящие к выводам 01 и 02, имеют значительную длину и не являются достаточно широкими, помехи не проходят на корпус двигателя вследствие того, что индуктивность, связанная с проводами, создает высокий импеданс по отношению к земле (или корпусу двигателя). Обычное правило заключается в том, что длина подходящего к конденсатору проводника должна составлять менее четверти дюйма.
9. Когда применению емкости фильтра мешает расположение проводов или ограничено место для его размещения, можно использовать щеткодержатели, как место для размещения Х2У. Один из примеров расположения конденсатора рядом со щеткодержателями показан на рис. 19.
Описание Значение
Диэлектрики ЫР0, Х71?, (У5У в разработке)
Номинальное напряжение 111? (ОС), В 6,3, 10, 16, 25, 50 и 100
Диапазон емкостей (У-конденсатор), нФ: 0603 0805 1206 1210 1812 33-47 33-470 100-2200 220-4700 470
Допуск на емкость +5%; +10%; +20%; -20/80%
Испытательное напряжение (ОС, 1 минута): 6,3, 10, 16, 25, 50 и 100 В 2,5 х 111?
Частные требования 1ЕС 60384-10, вторая редакция 1989-04
Подробные требования основываются на 1ЕС 60384-10-1
Температурная группа (1ЕС 60068) ЫР0 и Х71? 55/125/56, У5У 25/085/21
(О )) о)
///
Рис. 19
10. Несколько других соображений. Конденсатор А1410, керамика Х7И, 0,4 мкФ, примененный в фильтре электродвигателя, выдерживает от 1,5 до 2 А в зависимости от частоты. Более высокие уровни токов могут потребовать большего размера Х2У; с другой стороны, известные способы ограничения энергии, такие, как использование диода, стабилитрона или ИО-цепей, тоже могут быть применены. Важно не допускать следов краски или масла при заземлении корпуса двигателя — это обеспечит качественный контакт с землей на высоких частотах. Отверстия или щели в корпусе двигателя могут помогать излучению, что сделает неэффективным применение фильтра. Поэтому вентиляционные отверстия следует располагать подальше от источника помех — щеточного контакта.
