O que é eletrocapacidade parasitária?
Capacidade parasitária (Parasitic Capacitance)
Quando se trata de capacitores parasitas, os engenheiros EMC são muito dores de cabeça, porque todos basicamente permanecem no efeito negativo da capacitância parasita, muitas vezes é fácil ignorar os benefícios da capacitância parasita, o uso razoável da capacitância parasita pode resolver engenhosamente o problema EMC.
Primeiro, vamos entender o que é um parasita.：
Ø O significado do parasita é que o capacitor não foi originalmente projetado naquele lugar, mas porque há uma compatibilidade mútua entre o cabeamento, ou dois metais próximos, mas isolados, há uma compatibilidade mútua, como o parasita entre o cabeamento, entre os condutores metálicos, entre o plano de metal, por isso é chamado capacitância parasita.
Ø O capacitor parasita em si não é um capacitor físico, mas em conformidade com o princípio do capacitor e gerado por capacitor virtual, o capacitor é composto de duas placas de pólo e meio de isolamento, então o capacitor parasita é inevitável. A existência de capacitores parasitas inclui principalmente: o intervalo de bobina indutiva, entre os pinos de semicondutores de potência, entre os condutores metálicos isolados uns dos outros, entre os semicondutores de potência e o plano de referência de metal, etc. Características de capacitância em condições de alta frequência, capacitância parasitária também é conhecida como capacitância distribuída, capacitância difusa.
一、Principais formas de capacitação parasitária
O núcleo do semicondutor de potência é o nó PN, quando o semicondutor tipo N e o semicondutor tipo P são combinados, os dois lados da superfície de ligação formam a área de carga espacial, também conhecida como camada de esgotamento, quando a tensão nas extremidades do nó PN muda, a carga no espaço de carga do nó PN também muda; Além disso, os elétrons da zona N e os buracos da zona P, devido à difusão de concentração entre si, criam um efeito de armazenamento de carga em ambos os lados do nó PN, e esses fatores agem juntos para produzir capacidades parasitárias correspondentes dentro de qualquer dispositivo de potência semicondutor. O núcleo do semicondutor de potência é o nó PN, quando o semicondutor tipo N e o semicondutor tipo P são combinados, os dois lados da superfície de ligação formam a área de carga espacial, também conhecida como camada de esgotamento, quando a tensão nas extremidades do nó PN muda, a carga no espaço de carga do nó PN também muda; Além disso, os elétrons da zona N e os buracos da zona P, devido à difusão de concentração entre si, criam um efeito de armazenamento de carga em ambos os lados do nó PN, e esses fatores agem juntos para produzir capacidades parasitárias correspondentes dentro de qualquer dispositivo de potência semicondutor.
1-1 Potência tubo MOS condensador parasitário dinâmico
Figura 1: Modelo de capacitância parasitária do tubo MOS comutação de energia
Ø CISS(Capacidade de entrada):
A fuga-fonte é curta e a capacidade entre a porta e a fonte medida com o sinal de CA é a capacidade de entrada. CISS é o condensador de vazamento de cobalto CGD e condensador de fonte de cobalto CGS em paralelo, ou CISS = CGD + CGS, quando o carregamento do capacitor de entrada excede a tensão do limite, o tubo MOS pode ser aberto, quando a descarga é inferior à tensão do limite, o tubo MOS pode ser desligado. Portanto, o circuito de acionamento e os parâmetros CISS têm um impacto direto no atraso de abertura e desligamento do tubo MOS.
Ø COSS(Exportação Capacidade):
A porta-fonte é curta e a capacidade entre a fuga e a fonte medida com o sinal de CA é a capacidade de saída. COSS é o condensador de vazamento CGD e o condensador de vazamento CDS em paralelo, ou COSS = CGD + CDS, para a aplicação de switch suave, COSS não é frequentemente importante e pode causar a ressonância do circuito.
Ø CRSS(Capacidade de transmissão reversa):
No caso de aterramento da fonte, a capacidade medida entre a fuga e a porta é chamada de condensador de transmissão inversa, que é equivalente ao condensador de fuga, ou seja, CRSS = CGD. O capacitor de transmissão inversa também é conhecido como capacitor Miller. É um parâmetro importante para o tempo de subida e descida do interruptor.
Ø Interruptor de potência tubo MOS emissões de capacitância parasitária impacto caso
Um produto de alimentação de comutação, a produção em massa devido à falta de tubo MOS do circuito Boost PFC, a necessidade de substituir os produtos de outros fornecedores, após a substituição, descobriu-se que os resultados do teste de emissão de radiação não atendem aos requisitos de controle de excedente, usando o design original do dispositivo, o teste de emissão de radiação é atender aos requisitos de controle de excedente.
Ø COSS(Exportação Capacidade):
Um produto de energia de comutação, a produção em massa devido à falta de tubo MOS do circuito Boost PFC, a necessidade de substituir outros fornecedores de produtos, após a substituição descobriu que os resultados do teste de emissão de radiação não atendem aos requisitos de controle de excedente, usando o design original do dispositivo, o teste de emissão de radiação é para atender aos requisitos de controle de excedente, os dados de teste de emissão de radiação específicos são os seguintes:
Figura 2: Dados de teste de radiação do tubo MOS de comutação de substituição
Figura 3: Dados de teste de radiação após a substituição do tubo MOS (painel de alimentação de comutação do mesmo bloco)
Análise das causas do problema:
Através da análise comparativa descobriu que diferentes marcas, diferentes modelos de capacitores parasitas do tubo MOS são óbvias, o design original do tubo MOS usando capacitores CISS é muito maior do que o material de substituição capacitores CISS, capacitores CISS na abertura e desligamento do tubo MOS têm um impacto, quanto maior o capacitador, a velocidade de comutação mais lenta, menor a energia de ruído gerada, pelo contrário, maior a energia de ruído gerada. Quanto maior a capacitância, quanto menor a frequência de oscilação gerada, menor o pico.
1-2.Capacidade parasitária de diodo de potência
ØQuando o diodo guia positivo, os elétrons são armazenados na região P e os buracos são armazenados na região N, um fenômeno chamado de efeito de armazenamento de carga. Além da tensão reversa, os elétrons e os buracos se movem na direção oposta, formando uma corrente de deriva reversa e, ao mesmo tempo, com a maioria dos outros portadores, até que os elétrons e os buracos sejam significativamente reduzidos, o processo de recuperação reversa é concluído e o diodo é cortado.
Figura 4: Diagrama de corrente de recuperação inversa de diodo
ØA quantidade de carga armazenada determina o tempo de recuperação inversa, a quantidade de carga armazenada é determinada pelo tamanho do capacitor de recuperação inversa. A capacidade de recuperação inversa do diodo afeta o tempo de recuperação inversa, o tempo de recuperação inversa afeta o tamanho do pico de tensão gerado quando o diodo é desligado e a oscilação da corrente gerada quando o diodo é desligado.
Figura 5: Diagrama do capacitor de recuperação inversa do diodo
1-3.Capacidade parasitária entre o dispositivo de comutação de energia e o dissipador de calor
Dispositivos de comutação de potência plug-in geralmente precisam usar um dissipador de calor para dissipar o calor, o dispositivo de potência e o dissipador de calor formam um capacitor de distribuição, este capacitor de distribuição fornece um caminho de acoplamento para ruído de alta frequência. Ao usar dispositivos de potência de patch, é necessário usar um PCB de cobre para dissipar o calor, dissipar o calor entre o revestimento de cobre e o condensador de distribuição de referência e também fornecer um caminho de acoplamento para a corrente de ruído de alta frequência.
Figura 6: Capacidade parasitária entre o dispositivo de potência e o dissipador de calor
1-4.Capacidade parasitária do dispositivo magnético
A capacidade de distribuição entre o enrolamento e o enrolamento do transformador de comutação e a capacidade de distribuição entre o mesmo enrolamento fornecem um caminho de acoplamento para o acoplamento da corrente de ruído de alta frequência. Dispositivos indutivos, condensadores de distribuição entre os dispositivos indutivos de modo comum, ruído de alta frequência através do condensador de distribuição é acoplado diretamente ao final, o curto-circuito da indução, perda do efeito de filtragem de alta frequência. Aplicado com dispositivos magnéticos de alta pressão, o núcleo é um bom condutor, a capacidade de distribuição entre o núcleo e a terra de referência fornece um caminho para o acoplamento de ruído de alta frequência, de modo que parte do ruído de alta frequência não é filtrado por dispositivos magnéticos.
Figura 7: Modelo de capacitância parasitária do transformador
1-5.Capacidade parasitária gerada por condutores de estrutura metálica
Perto um do outro e isolado entre os dois condutores metálicos constituem a capacidade de distribuição, a capacidade de distribuição entre os condutores metálicos no sinal de ruído sob a forma de uma antena de dipolo elétrico, o sinal de ruído é emitido de forma eficiente, e causa sérios problemas de emissão de radiação, quando o condutor de metal está perto da fonte de campo elétrico forte, através da distribuição de capacidades entre a fonte de ruído, o mesmo pode emitir ruído eletromagnético de forma eficiente.
Figura 8: Distribuição de capacidades entre estruturas metálicas
1-6.Capacidade parasitária entre cabeamento de PCB
A capacidade parasitária também existe entre dois cabos próximos um do outro na placa PCB, e a capacidade parasitária entre os cabos de PCB é uma das principais razões para o problema de interferência. A capacidade de distribuição entre o cabeamento do PCB e os planos de referência próximos é o caminho principal da fonte de acoplamento de ruído de alta frequência, reduzindo o caminho de refluxo de alta frequência do sinal e reduzindo a capacidade de emissão de ruído de alta frequência.
Figura 9: Capacidade parasitária entre cabeamento PCB Layout
1-7.Outros tipos de capacitores parasitários
Os capacitores de distribuição estão em toda parte e, além dos capacitores de distribuição acima, existem muitas outras formas de capacitores parasitários:
ØCapacidade parasitária entre os pinos do chip semicondutor
ØCapacidade de distribuição entre as linhas internas do cabo e as linhas
ØCapacidade de distribuição entre o fio interno do cabo e a blindagem de metal
ØCapacidade de distribuição entre o condutor de metal e o núcleo do dispositivo magnético
ØCapacidade de distribuição entre o chip semicondutor e o dissipador de calor
ØDistribuição de capacidades entre as camadas de PCB
二、Análise de Impacto da Capacidade Parasitária
Os capacitores parasitas são onipresentes, escondidos e não podem ser medidos por instrumentos. Portanto, o efeito da capacitância parasita é muito difícil de analisar, trazendo grandes desafios para a análise e depuração de problemas de EMC.
2-1.Capacitores parasitas alteram o caminho de refluxo do sinal
A área do loop de corrente de alta frequência é um fator importante que afeta a emissão de radiação, e a área do loop de corrente controlável é um pré-requisito importante para garantir o desempenho de EMC.
A presença de capacitores parasitas mudará o caminho de refluxo da corrente de alta frequência, e sua área de loop aumentará, causará sérios problemas de EMC.
Figura 10: Capacitores parasitas alteram o caminho de transmissão de sinais
2-2.Interferência de acoplamento capacitivo parasitário
No processo de análise e depuração do problema EMC da fonte de alimentação de comutação, descobriu-se que o acoplamento de tolerância é uma razão importante para a falha no teste de condução do lado da fonte de alimentação.
O acoplamento de tolerância geralmente ocorre entre duas linhas de fiação com uma grande diferença de potencial, e o acoplamento de tolerância reduzirá o desempenho do filtro e até falhará.
Figura 11: Capacitores parasitários induzem acoplamento tolerante
2-3.Capacidade parasitária produz oscilações parasitárias
Os dispositivos de potência, como diodos, tubos MOS, chips semicondutores e outros, geralmente produzem oscilações parasitárias entre os condensadores parasitas entre os pinos e as induções parasitárias dos dispositivos indutivos, transformadores, esferas magnéticas e cabeamento de PCB. As oscilações parasitárias nos produtos de alimentação de comutação são uma das principais razões pelas quais os testes EMI não são compatíveis e podem ser facilmente ignorados pelos engenheiros de projeto.
Figura 12: Forma de onda de oscilação parasitária gerada por capacitores parasitas
2-4.Capacitores parasitas produzem antenas dipolo
Os condutores metálicos são frequentemente usados para blindagem de interferência eletromagnética, e o bom acoplamento entre os condutores metálicos é o pré-requisito para garantir o efeito de blindagem de alta qualidade. O projeto da estrutura real leva em consideração o problema da oxidação do condutor de metal, a pintura isolante pulverizada na superfície do metal evita o problema da oxidação do metal.
Depois de pulverizar a pintura de isolamento dos dois metais juntos, não pode ser bem conduzido para formar um corpo isotópico, quando a corrente de ruído de alta frequência flui através de um dos condutores, ele irá gerar o potencial elétrico induzido no outro condutor para formar uma antena de íodo, irradiando o ruído.
Figura 13: Capacitores parasitas formam antenas de dipolo eletrodo
三、Como lidar com os efeitos da capacitação parasitária
O capacitor parasita é muitas vezes o inimigo natural dos engenheiros EMC, o tratamento razoável e apropriado do problema capacitor parasita tornou-se um grande teste para os engenheiros EMC, o tratamento do problema capacitor parasita para resumir, resumido abaixo：
3-1.Resolução do problema de capacitância parasitária do dispositivo de potência
De acordo com a análise de impacto da capacitância parasitária do dispositivo de potência, combinada com a executabilidade do processo de comissionamento real, para o problema da capacitância parasitária do dispositivo de potência, a seguinte solução foi formulada:
Figura 14: Forma de onda de oscilação parasitária gerada por capacitores parasitas
Ø O aumento do circuito de absorção RC entre os pinos do dispositivo de potência altera a capacitância parasitária
Figura 14: Diodo de potência aumenta RC absorção altera capacitância parasitária
Ø Aumentar a distância entre o corpo do dispositivo de potência e o dissipador de calor, reduzindo a capacidade parasitária
Ø Substituir diferentes modelos de dispositivos, diferentes marcas de dispositivos para alterar capacitores parasitas
Ø O circuito de corrente do dispositivo de potência aumenta as bolas magnéticas para suprimir as oscilações parasitárias
Figura 15: Dispositivo de potência de loop em série de bolas magnéticas para suprimir as oscilações parasitárias
Ø Reduzir a indução parasitária do cabeamento de PCB para suprimir as oscilações parasitárias
Ø Dissipador de calor do dispositivo de potência suprime as oscilações parasitárias através de aterramento de resistência
Ø Aumentar a capacidade de bypass de alta frequência para suprimir as oscilações parasitárias
Ø Dispositivo de potência dissipador de calor aterramento reduz capacitância parasitária
3-2.Resolução do problema de capacitância parasitária do dispositivo de núcleo magnético
A capacitância parasitária do dispositivo de núcleo magnético está principalmente relacionada com o modo de enrolamento do dispositivo magnético, o grau de isolamento entre enrolamentos e a capacidade de distribuição do núcleo magnético para a terra de referência, desenvolvendo as seguintes soluções:
Ø Aumentar a distância entre os enrolamentos e reduzir a capacidade parasitária
Ø Aumentar a blindagem entre os enrolamentos e reduzir a capacitação parasitária
Ø Reduzir a capacitação parasitária ajustando a densidade de bobina
Ø Reduzir o impacto da capacitância parasitária ajustando a diferença de potencial entre os enrolamentos próximos
Ø Ajustar o modo de aterramento da camada de blindagem, alterar a capacitação parasitária
Ø
3-3.Como reduzir a capacidade parasitária entre estruturas metálicas
Para capacitores parasitas entre estruturas metálicas, considere principalmente o aumento da distância e o método de empilhamento de baixa impedância para reduzir o impacto da capacitância parasitária, desenvolvendo as seguintes soluções:
Ø Aumentar a distância entre os corpos metálicos e reduzir a capacidade parasitária
Ø Corpo metálico reduz capacidades parasitárias de curto-circuito através de empilhamento de baixa impedância
Ø Estrutura metálica transporta metal antioxidante, cria corpo isotópico
Ø Estruturas metálicas longe da posição de alta tensão alternada, reduzindo a capacidade parasitária
3-4.Como condensadores parasitas entre cabeamento de PCB
Para capacitores parasitários entre cabeamento de PCB, considere principalmente aumentar a distância e aumentar a blindagem para reduzir o impacto da capacitância parasitária, formulando as seguintes soluções:
Ø Aumentar a distância entre cabeamentos de PCB e reduzir a capacitação parasitária
Ø Aumentar a blindagem da linha de terra entre os cabos de PCB e reduzir a capacitação parasitária
Ø Aumentar o espaçamento das camadas e reduzir a capacidade parasitária entre as camadas
Ø Reduz a distância paralela entre cabeamento de PCB e reduz a capacitação parasitária
Ø O uso de cabeamento cruzado vertical reduz a capacidade parasitária.