모든 전해 커패시터를 세라믹 커패시터로 교체 할 수 있습니까?

여러 공급 장치가 필요한 시스템의 전원 공급 장치 회로를 설계 중입니다. 제 질문은 다음과 같습니다.

• 모든 전해 캡 (대부분 100uF)을 세라믹 캡으로 교체 할 수 있습니까? 세라믹의 한계는 무엇입니까?

• 전해에 사용되는 세라믹에 대해 2 배의 정격 전압을 사용해야합니까?

• 리플 전류 정격은 어떻습니까? 전해액에서와 같이 세라믹을 선택할 때 중요한 요소입니까?

2014 년 1 월 9 일 추가됨 : 세라믹 제한에 대한 추가 정보

Dave가 EEVBlog에서 제출 한이 훌륭한 비디오 는 다른 유형의 세라믹 캡의 한계와 이들이 적용된 전압과 바이어스 전압에 의해 어떻게 영향을 받는지 보여줍니다. 볼 가치가있는!

100µF는 실제로 세라믹 캡의 한계를 뛰어 넘고 있습니다. 전압이 몇 볼트에서 10 볼트 또는 20 볼트로 낮 으면 여러 세라믹을 병렬로 연결하는 것이 합리적 일 수 있습니다.

고용량 세라믹 캡에는 고유 한 장단점이 있습니다. 장점은 훨씬 낮은 등가 직렬 저항으로 인해 훨씬 ​​높은 리플 전류 성능, 더 높은 주파수에 대한 유용성, 적은 열 감도, 훨씬 더 나은 수명 및 대부분의 경우 더 나은 기계적 견고성입니다. 그들도 자신의 문제가 있습니다. 커패시턴스는 전압에 따라 크게 저하 될 수 있으며 밀도가 높은 (볼륨 당 더 많은 에너지 저장) 세라믹은 종종 "마이크로 포 닉스"라고하는 압전 효과를 나타냅니다. 잘못된 환경에서만 진동이 발생할 수 있지만 드물게 발생합니다.

스위칭 전원 공급 장치 응용의 경우, 너무 많은 정전 용량이 필요하지 않으면 세라믹은 일반적으로 전해질보다 더 나은 거래입니다. 더 많은 리플 전류와 열을 더 잘 받아 들일 수 있기 때문입니다. 전해질의 수명은 열에 의해 심각하게 저하되며, 이는 종종 전원 공급 장치의 문제입니다.

세라믹의 수명이 훨씬 길고, 처음에는 적용 전압의 기능보다 훨씬 작기 때문에 세라믹만큼 전해질만큼 레이트를 제거 할 필요가 없습니다. 세라믹으로 조심해야 할 것은 밀도가 높은 비선형 재료로 만들어졌으며 전압 범위의 상단에서 커패시턴스가 감소한 것으로 나타납니다.

마이크로 포 닉스에 대해 추가됨 :

일부 유전체는인가 된 전기장에 따라 물리적으로 크기가 변합니다. 많은 경우, 효과가 너무 작아 눈치 채지 못하고 무시할 수 있습니다. 그러나 일부 세라믹은 결과적인 진동을들을 수있는 충분한 효과를 나타냅니다. 일반적으로 커패시터 자체를들을 수는 없지만, 보드에 상당히 견고하게 납땜되어 있기 때문에 커패시터의 작은 진동으로 인해 더 큰 보드가 진동 할 수 있습니다 (특히 보드의 공진 주파수). 결과는 꽤 들릴 수 있습니다.

물론 물리적 특성은 일반적으로 두 가지 방식으로 작동하기 때문에 그 반대도 마찬가지입니다. 예외는 아닙니다. 인가 된 전압은 커패시터의 치수를 변화시킬 수 있으므로, 응력을가함으로써 치수를 변화 시키면 개방 회로 전압이 변화 될 수 있습니다. 실제로 커패시터는 마이크 역할을합니다. 보드의 기계적 진동을 감지 할 수 있으며 보드의 전기 신호로 전달 될 수 있습니다. 이러한 이유로 고감도 오디오 회로에서는 이러한 유형의 커패시터가 사용되지 않습니다.

이 물리학에 대한 자세한 내용은 티탄산 바륨의 특성을 예로 들어보십시오. 이것은 세라믹의 범위와 비교하여 바람직한 전기적 특성, 특히 상당히 우수한 에너지 밀도를 가지기 때문에 일부 세라믹 캡의 일반적인 유전체입니다. 이것은 두 개의 에너지 상태 사이에서 티타늄 원자를 전환함으로써 달성됩니다. 그러나 원자의 유효 크기는 두 에너지 상태 사이에서 다르기 때문에 격자의 크기가 변하기 때문에 적용 전압의 함수로 물리적 변형을 얻습니다.

일화:최근 에이 문제가 발생했습니다. 모형 열차에서 사용하는 DCC (Digital Command and Control) 전원에 연결하는 기즈모를 설계했습니다. DCC는 트랙의 특정 "롤링 스톡"에 전력뿐만 아니라 정보를 전송하는 방법입니다. 최대 22V의 차동 전력 신호입니다. 특정 타이밍으로 극성을 뒤집어 정보를 전달합니다. 플립 핑 속도는 대략 5-10 kHz입니다. 전력을 얻기 위해 장치 전파가이를 교정합니다. 내 장치는 DCC 정보를 해독하지 않고 약간의 전력 만 공급합니다. DCC를 10µF 세라믹 캡에 반파 정류하기 위해 단일 다이오드를 사용했습니다. 오프 반주기 동안이 캡의 처짐은 약 3V에 불과했지만 그 3Vpp는 노래하기에 충분했습니다. 회로는 완벽하게 작동했지만 보드 전체가 상당히 성가신 소리를 냈습니다. 그것은 제품에서 받아 들일 수 없었습니다. 생산 버전의 경우 20µF 전해 캡으로 변경되었습니다. 나는 더 싸고 더 작고 더 긴 수명을 가져야했기 때문에 원래 세라믹을 사용했습니다. 다행스럽게도이 장치는 고온에서 사용되지 않을 수 있으므로 전해 캡의 수명이 최악의 경우보다 훨씬 우수해야합니다.

의견에서 전원 공급 장치가 때때로 울리는 이유에 대한 논의가 있음을 알 수 있습니다. 그 중 일부는 세라믹 캡으로 인한 것일 수 있지만 인덕터와 같은 자성 부품도 두 가지 이유로 진동 할 수 있습니다. 먼저 인덕터의 각 비트에 전류를 통해 전류의 제곱에 비례하는 힘이 가해집니다. 이 힘은 와이어 옆으로 가며 코일을 제자리에 고정하지 않으면 진동합니다. 둘째, 자기 변형이라고하는 정전기 압전 효과와 유사한 자기 특성이 있습니다. 인덕터 코어 재료는 적용된 자기장의 기능에 따라 크기가 약간 변경 될 수 있습니다. 페라이트는이 효과를 매우 강하게 나타내지는 않지만 항상 약간 있으며 자기장에 다른 재료가있을 수 있습니다. 한때 자기 변형으로 자기 변형 효과를 사용하는 제품에서 일했습니다. 그리고 네

아직 언급되지 않은 전해조에서 세라믹으로 설계를 전환 하지 않는 몇 가지 이유 가 있습니다.

• 일부 선형 레귤레이터 설계에서는 안정성을 유지하기 위해 출력 커패시터에서 더 높은 전해액의 ESR이 필요합니다.

• 세라믹은 보드가 휘어 질 때 전해액보다 덜 견고합니다. 특히 1206 이상과 같은 큰 크기에서는 합리적인 WV로 10-20 uF 이상의 값이 필요한 것처럼 보드에 플렉스가 있으면 세라믹이 쉽게 깨집니다. 현장에서 손상을 줄 수 있거나 제조 된 패널에서 보드를 개별화하는 방법으로 발생할 수 있습니다.

OP의 격렬한 질문과 Olin의 훌륭한 답변에 따라 :

IPC-9592A (고 신뢰성 전력 변환 장치의 표준)는 다음과 같은 정격 감소 지침을 인용합니다.

고정 세라믹 MLCC :

• DC 전압 <= 제조업체 정격의 80 %
• 온도 : 제조업체의 정격보다 낮은 10 ° C
• 크기 : 균열 가능성으로 인해 1210보다 큰 크기는 권장하지 않습니다.

알루미늄 전해 커패시터 :

• DC 전압 <= 제조업체 정격의 80 % (250V 이상 장치의 경우 <= 90 %)
• 수명 / 내구 시간 :> = 40 ° C에서 10 년, Class II 장치 (데이터 센터 품목)의 경우 80 % 부하, Class I 장치 (소비자 등급)의 경우 5 년

알루미늄 전해 커패시터 의 수명 / 내구성 등급은 전압, 리플 전류 및 주변 온도와 같은 모든 응력의 함수입니다. 캡의 공기 흐름이 양호하면 잔물결이 더 많이 걸리고 수명이 길어질 수 있습니다. 핫 캡은 수명이 길지 않습니다.

세라믹 커패시터의 경우 온도와 관련이 있습니다. 주변 온도 및 리플 전류로 인해 온도가 상승합니다. 세라믹이 노화되지 않는다는 것은 아닙니다-특정 유전체 재료 ( X7R 및 Y5V와 같은 클래스 2 재료 ) 는 시간이 지남에 따라 커패시턴스가 저하됩니다 - 클래스 1 재료 는 이것에 크게 영향을받지 않습니다.

또한 Olin이 언급 한 바와 같이 특정 초소형 재료는 DC 바이어스 전압의 함수로서 상당한 정전 용량 롤오프를 겪습니다. 다시, 클래스 2 재료는이 문제로 어려움을 겪고 클래스 1 재료는 그렇지 않습니다.

기본적으로 두 가지 유형의 커패시터를 사용하는 경우 최대 전압을 응력의 80 % 미만으로 유지하십시오.

세라믹 커패시터 (대 전기 캡)의 훨씬 더 낮은 ESR은 피드백 루프 안정성에 영향을 미칩니다. 변환기가 스위처이고 출력 LC 필터가 있다고 가정하면 변환기를 안정화하기 위해 유형 3 보상 네트워크가 필요할 수 있습니다.

낮은 ESR로 인해 개방 루프 이득이 -40dB / decade에서 긴 간격으로 롤오프됩니다 (ESR이 떨어짐에 따라 ESR 제로가 푸시 됨). -20dB / 십년 (전력 설계자가 이득 마진 및 위상 마진과 함께 찾는 세 가지 루프 안정성 기준 중 하나)에 있어야합니다.

틀릴 수도 있지만 세라믹 벌크 캡으로 전환하면 벌크 캡과 더 작은 디커플링 캡 사이에 공명 방지가 발생합니다. 신중하게 선택하지 않으면 벌크 캡의 인덕턴스는 디커플링 캡의 커패시턴스와 공진합니다. 이러한 장치의 ESR은 공명을 감쇠시키기 때문에 탄탈륨 및 전해 캡에서는 발생하지 않습니다. 다시 한번, 실제로 시도한 적이 없으므로 다시 틀릴 수 있습니다.