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Les condensateurs sont l'un des composants les plus couramment utilisés sur les circuits imprimés. À mesure que le nombre d’appareils électroniques (des téléphones portables aux voitures) continue d’augmenter, la demande de condensateurs augmente également. La pandémie de Covid 19 a perturbé la chaîne d’approvisionnement mondiale en composants, depuis les semi-conducteurs jusqu’aux composants passifs, et les condensateurs sont devenus rares1.
Les discussions sur le thème des condensateurs peuvent facilement être transformées en livre ou en dictionnaire. Premièrement, il existe différents types de condensateurs, tels que les condensateurs électrolytiques, les condensateurs à film, les condensateurs céramiques, etc. Ensuite, dans un même type, il existe différents matériaux diélectriques. Il existe également différentes classes. En ce qui concerne la structure physique, il existe des types de condensateurs à deux et trois bornes. Il existe également un condensateur de type X2Y, qui est essentiellement une paire de condensateurs Y encapsulés en un seul. Et les supercondensateurs ? Le fait est que si vous vous asseyez et commencez à lire les guides de sélection de condensateurs des principaux fabricants, vous pouvez facilement passer la journée !
Puisque cet article porte sur les bases, j'utiliserai une méthode différente comme d'habitude. Comme mentionné précédemment, les guides de sélection de condensateurs peuvent être facilement trouvés sur les sites Web des fournisseurs 3 et 4, et les ingénieurs de terrain peuvent généralement répondre à la plupart des questions sur les condensateurs. Dans cet article, je ne répéterai pas ce que l'on peut trouver sur Internet, mais je montrerai comment choisir et utiliser les condensateurs à travers des exemples pratiques. Certains aspects moins connus de la sélection des condensateurs, tels que la dégradation de la capacité, seront également abordés. Après avoir lu cet article, vous devriez avoir une bonne compréhension de l’utilisation des condensateurs.
Il y a des années, alors que je travaillais dans une entreprise qui fabriquait des équipements électroniques, nous avions une question d'entretien pour un ingénieur en électronique de puissance. Sur le diagramme schématique du produit existant, nous demanderons aux candidats potentiels « Quelle est la fonction du condensateur électrolytique du circuit intermédiaire ? » » et « Quelle est la fonction du condensateur céramique situé à côté de la puce ? » Nous espérons que la bonne réponse est le condensateur du bus CC. Utilisé pour le stockage d'énergie, les condensateurs en céramique sont utilisés pour le filtrage.
La « bonne » réponse que nous recherchons montre en fait que tous les membres de l’équipe de conception examinent les condensateurs du point de vue d’un simple circuit, et non du point de vue de la théorie des champs. Le point de vue de la théorie des circuits n’est pas faux. Aux basses fréquences (de quelques kHz à quelques MHz), la théorie des circuits peut généralement bien expliquer le problème. En effet, aux basses fréquences, le signal est principalement en mode différentiel. En utilisant la théorie des circuits, nous pouvons voir le condensateur illustré à la figure 1, où la résistance série équivalente (ESR) et l'inductance série équivalente (ESL) font changer l'impédance du condensateur avec la fréquence.
Ce modèle explique pleinement les performances du circuit lorsque le circuit est commuté lentement. Cependant, à mesure que la fréquence augmente, les choses deviennent de plus en plus compliquées. À un moment donné, le composant commence à montrer une non-linéarité. Lorsque la fréquence augmente, le modèle LCR simple présente ses limites.
Aujourd'hui, si on me posait la même question d'entretien, je porterais mes lunettes d'observation de la théorie des champs et je dirais que les deux types de condensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie. La différence est que les condensateurs électrolytiques peuvent stocker plus d’énergie que les condensateurs céramiques. Mais en termes de transmission d'énergie, les condensateurs céramiques peuvent transmettre l'énergie plus rapidement. Cela explique pourquoi les condensateurs céramiques doivent être placés à côté de la puce, car la puce a une fréquence de commutation et une vitesse de commutation plus élevées que le circuit d'alimentation principal.
De ce point de vue, on peut simplement définir deux normes de performances pour les condensateurs. L’un est la quantité d’énergie que le condensateur peut stocker et l’autre la vitesse à laquelle cette énergie peut être transférée. Les deux dépendent de la méthode de fabrication du condensateur, du matériau diélectrique, de la connexion avec le condensateur, etc.
Lorsque l'interrupteur du circuit est fermé (voir Figure 2), cela indique que la charge a besoin d'énergie provenant de la source d'alimentation. La vitesse à laquelle cet interrupteur se ferme détermine l’urgence de la demande d’énergie. Étant donné que l’énergie se déplace à la vitesse de la lumière (la moitié de la vitesse de la lumière dans les matériaux FR4), le transfert d’énergie prend du temps. De plus, il existe une inadéquation d'impédance entre la source, la ligne de transmission et la charge. Cela signifie que l'énergie ne sera jamais transférée en un seul voyage, mais en plusieurs allers-retours5, c'est pourquoi lorsque le commutateur est commuté rapidement, nous verrons des retards et des sonneries dans la forme d'onde de commutation.
Figure 2 : Il faut du temps pour que l’énergie se propage dans l’espace ; l'inadéquation d'impédance provoque plusieurs allers-retours de transfert d'énergie.
Le fait que la livraison de l’énergie prend du temps et nécessite de nombreux allers-retours nous indique que nous devons déplacer l’énergie aussi près que possible de la charge, et que nous devons trouver un moyen de la livrer rapidement. La première est généralement obtenue en réduisant la distance physique entre la charge, le commutateur et le condensateur. Cette dernière est obtenue en rassemblant un groupe de condensateurs ayant la plus petite impédance.
La théorie des champs explique également les causes du bruit en mode commun. En bref, un bruit de mode commun est généré lorsque la demande d'énergie de la charge n'est pas satisfaite lors de la commutation. Par conséquent, l’énergie stockée dans l’espace entre la charge et les conducteurs à proximité sera fournie pour répondre à la demande de pas. L'espace entre la charge et les conducteurs proches est ce que nous appelons la capacité parasite/mutuelle (voir Figure 2).
Nous utilisons les exemples suivants pour montrer comment utiliser des condensateurs électrolytiques, des condensateurs céramiques multicouches (MLCC) et des condensateurs à film. La théorie des circuits et celle des champs sont utilisées pour expliquer les performances des condensateurs sélectionnés.
Les condensateurs électrolytiques sont principalement utilisés dans le circuit intermédiaire comme principale source d'énergie. Le choix du condensateur électrolytique dépend souvent de :
Pour les performances CEM, les caractéristiques les plus importantes des condensateurs sont les caractéristiques d'impédance et de fréquence. Les émissions conduites basse fréquence dépendent toujours des performances du condensateur du circuit intermédiaire.
L'impédance du lien CC dépend non seulement de l'ESR et de l'ESL du condensateur, mais également de la surface de la boucle thermique, comme le montre la figure 3. Une plus grande surface de boucle thermique signifie que le transfert d'énergie prend plus de temps, donc les performances sera affecté.
Un convertisseur DC-DC abaisseur a été construit pour le prouver. La configuration de test CEM de pré-conformité illustrée à la figure 4 effectue un balayage d'émission conduite entre 150 kHz et 108 MHz.
Il est important de s'assurer que les condensateurs utilisés dans cette étude de cas proviennent tous du même fabricant afin d'éviter les différences de caractéristiques d'impédance. Lorsque vous soudez le condensateur sur le PCB, assurez-vous qu'il n'y a pas de longs câbles, car cela augmenterait l'ESL du condensateur. La figure 5 montre les trois configurations.
Les résultats d'émission conduite de ces trois configurations sont présentés dans la figure 6. On peut voir que, par rapport à un seul condensateur de 680 µF, les deux condensateurs de 330 µF atteignent une performance de réduction du bruit de 6 dB sur une plage de fréquences plus large.
D'après la théorie des circuits, on peut dire qu'en connectant deux condensateurs en parallèle, l'ESL et l'ESR sont réduits de moitié. Du point de vue de la théorie des champs, il n'y a pas qu'une seule source d'énergie, mais deux sources d'énergie sont fournies à la même charge, réduisant ainsi le temps global de transmission de l'énergie. Cependant, à des fréquences plus élevées, la différence entre deux condensateurs de 330 µF et un condensateur de 680 µF diminuera. En effet, le bruit haute fréquence indique une réponse énergétique de pas insuffisante. En rapprochant un condensateur de 330 µF du commutateur, nous réduisons le temps de transfert d'énergie, ce qui augmente efficacement la réponse échelonnée du condensateur.
Le résultat nous apprend une leçon très importante. L’augmentation de la capacité d’un seul condensateur ne répond généralement pas à la demande progressive d’énergie supplémentaire. Si possible, utilisez des composants capacitifs plus petits. Il y a de nombreuses bonnes raisons à cela. Le premier est le coût. De manière générale, pour une même taille de boîtier, le coût d'un condensateur augmente de façon exponentielle avec la valeur de la capacité. L’utilisation d’un seul condensateur peut être plus coûteuse que l’utilisation de plusieurs condensateurs plus petits. La deuxième raison est la taille. Le facteur limitant dans la conception d’un produit est généralement la hauteur des composants. Pour les condensateurs de grande capacité, la hauteur est souvent trop grande, ce qui ne convient pas à la conception du produit. La troisième raison concerne les performances EMC que nous avons constatées dans l’étude de cas.
Un autre facteur à considérer lors de l'utilisation d'un condensateur électrolytique est que lorsque vous connectez deux condensateurs en série pour partager la tension, vous aurez besoin d'une résistance d'équilibrage 6.
Comme mentionné précédemment, les condensateurs céramiques sont des dispositifs miniatures capables de fournir rapidement de l'énergie. On me pose souvent la question « De quelle quantité de condensateur ai-je besoin ? » La réponse à cette question est que pour les condensateurs céramiques, la valeur de la capacité ne devrait pas être si importante. La considération importante ici est de déterminer à quelle fréquence la vitesse de transfert d’énergie est suffisante pour votre application. Si l'émission conduite échoue à 100 MHz, le condensateur ayant la plus petite impédance à 100 MHz sera un bon choix.
C'est un autre malentendu sur MLCC. J'ai vu des ingénieurs dépenser beaucoup d'énergie en choisissant des condensateurs céramiques avec les ESR et ESL les plus bas avant de connecter les condensateurs au point de référence RF via de longues traces. Il convient de mentionner que l'ESL du MLCC est généralement bien inférieure à l'inductance de connexion sur la carte. L'inductance de connexion reste le paramètre le plus important affectant l'impédance haute fréquence des condensateurs céramiques7.
La figure 7 montre un mauvais exemple. Les longues traces (0,5 pouces de long) introduisent une inductance d'au moins 10 nH. Le résultat de la simulation montre que l'impédance du condensateur devient beaucoup plus élevée que prévu au point de fréquence (50 MHz).
L’un des problèmes des MLCC est qu’ils ont tendance à entrer en résonance avec la structure inductive du tableau. Cela peut être vu dans l'exemple illustré à la figure 8, où l'utilisation d'un MLCC de 10 µF introduit une résonance à environ 300 kHz.
Vous pouvez réduire la résonance en choisissant un composant avec un ESR plus grand ou simplement en mettant une résistance de petite valeur (comme 1 ohm) en série avec un condensateur. Ce type de méthode utilise des composants avec perte pour supprimer le système. Une autre méthode consiste à utiliser une autre valeur de capacité pour déplacer la résonance vers un point de résonance inférieur ou supérieur.
Les condensateurs à film sont utilisés dans de nombreuses applications. Ce sont les condensateurs de choix pour les convertisseurs DC-DC haute puissance et sont utilisés comme filtres de suppression EMI sur les lignes électriques (AC et DC) et dans les configurations de filtrage en mode commun. Nous prenons un condensateur X comme exemple pour illustrer certains des principaux points de l'utilisation de condensateurs à film.
Si un événement de surtension se produit, cela permet de limiter la contrainte de tension maximale sur la ligne, c'est pourquoi il est généralement utilisé avec un suppresseur de tension transitoire (TVS) ou une varistance à oxyde métallique (MOV).
Vous savez peut-être déjà tout cela, mais saviez-vous que la valeur de capacité d'un condensateur X peut être considérablement réduite avec des années d'utilisation ? Cela est particulièrement vrai si le condensateur est utilisé dans un environnement humide. J'ai vu la valeur de capacité du condensateur X chuter seulement à quelques pour cent de sa valeur nominale en un an ou deux, de sorte que le système initialement conçu avec le condensateur X a en fait perdu toute la protection que pourrait avoir le condensateur frontal.
Alors, que s'est-il passé ? De l'air humide peut s'infiltrer dans le condensateur, le long du fil et entre le boîtier et le composé d'enrobage époxy. La métallisation d'aluminium peut alors être oxydée. L'alumine est un bon isolant électrique, réduisant ainsi la capacité. C'est un problème que tous les condensateurs à film seront confrontés. Le problème dont je parle est l'épaisseur du film. Les marques de condensateurs réputées utilisent des films plus épais, ce qui donne des condensateurs plus gros que les autres marques. Le film plus fin rend le condensateur moins résistant aux surcharges (tension, courant ou température) et il est peu probable qu'il se répare tout seul.
Si le condensateur X n'est pas connecté en permanence à l'alimentation électrique, vous n'avez pas à vous inquiéter. Par exemple, pour un produit doté d'un interrupteur dur entre l'alimentation et le condensateur, la taille peut être plus importante que la durée de vie, et vous pouvez alors choisir un condensateur plus fin.
Cependant, si le condensateur est connecté en permanence à la source d’alimentation, il doit être extrêmement fiable. L'oxydation des condensateurs n'est pas une fatalité. Si le matériau époxy du condensateur est de bonne qualité et que le condensateur n'est pas souvent exposé à des températures extrêmes, la baisse de valeur devrait être minime.
Dans cet article, nous avons d'abord présenté la vision de la théorie des champs des condensateurs. Des exemples pratiques et des résultats de simulation montrent comment sélectionner et utiliser les types de condensateurs les plus courants. J'espère que ces informations pourront vous aider à comprendre de manière plus complète le rôle des condensateurs dans la conception électronique et CEM.
Le Dr Min Zhang est le fondateur et consultant en chef EMC de Mach One Design Ltd, une société d'ingénierie basée au Royaume-Uni spécialisée dans le conseil, le dépannage et la formation EMC. Ses connaissances approfondies en électronique de puissance, en électronique numérique, en moteurs et en conception de produits ont profité à des entreprises du monde entier.
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