Réduire la taille des cartes et les délais de commercialisation grâce à des condensateurs haute capacité ultraminces fabriqués aux États-Unis

Les ingénieurs en développement matériel sont constamment à la recherche d'opportunités pour réduire le coût, la taille et le poids des composants, tout en atteignant ou en dépassant les objectifs de rendement et de fiabilité des composants et des systèmes. Les composants les plus courants et les plus critiques pour l'optimisation incluent les condensateurs montés sur carte, en raison de leur volume et de leur vaste utilisation. La fiabilité doit également être prise en compte lors du choix des condensateurs en raison de leur sensibilité aux fuites et de la dégradation de leur capacité dans le temps lorsqu'ils sont exposés à des températures extrêmes. Cette dégradation peut entraîner des dysfonctionnements intermittents des circuits, compromettant ainsi le rendement et la fiabilité du système.

Alors que les fournisseurs de condensateurs continuent d'améliorer les conceptions pour augmenter la densité d'énergie, la fiabilité et le poids, le composant optimal pour une application peut venir à manquer en raison des longs délais d'exécution causés par des problèmes de chaîne d'approvisionnement.

Cet article traite du rôle des condensateurs de filtrage et de stockage de masse. Il montre comment un seul condensateur peut remplacer d'autres types de condensateurs, tels qu'un ensemble de condensateurs à montage en surface, résultant en un nombre réduit de composants de carte et d'interconnexions de circuit, et améliorant ainsi la fiabilité globale des circuits. Il présente des condensateurs électrolytiques aluminium haute fiabilité de Cornell Dubilier Electronics qui offrent à la fois un profil mince et une très haute densité d'énergie. Comme les condensateurs sont fabriqués aux États-Unis et peuvent être expédiés rapidement aux sites de production nord-américains, ils contribuent également à réduire les délais de livraison.

Fiabilité des condensateurs montés sur carte

La durée de vie d'un condensateur électrolytique est déterminée par la vitesse de dégradation électrochimique de sa structure interne au fil du temps. Comme cette dégradation est prévisible dans des conditions de fonctionnement typiques, la durée de vie fonctionnelle d'un condensateur peut facilement être calculée par le fabricant. La fiabilité d'un condensateur est un paramètre qui permet de déterminer dans quelle mesure la durée de vie réelle d'un condensateur correspond à sa durée de vie attendue lorsqu'il est exposé à des variations de construction ou à des conditions extrêmes.

Bien que la durée de vie des grands et des petits condensateurs soit à peu près la même, les petits condensateurs sont plus fiables car il y a moins de surface entre les surfaces de l'anode et de la cathode. Plus le condensateur est grand, plus sa fiabilité est un facteur de sélection, de même que sa disponibilité. Au moment de la rédaction de cet article, la chaîne d'approvisionnement des composants électroniques connaît des problèmes, notamment des retards pour de nombreuses expéditions internationales. C'est pourquoi la disponibilité et les délais d'approvisionnement sont devenus des critères décisifs lors de la sélection de composants électroniques.

Les condensateurs ne sont pas soumis aux optimisations de taille qui sont courantes pour de nombreux semi-conducteurs, car il n'est pas possible de réduire la taille d'un condensateur en le ramenant à une géométrie de processus plus petite. En raison de la physique de conception des condensateurs, plus la valeur nominale du condensateur en Farads (F) est élevée, plus la surface entre l'anode et la cathode est grande, d'où sa taille physique plus importante. Les condensateurs à montage vertical, également appelés V-chip, sont des options de conditionnement populaires pour économiser de l'espace sur la carte, la contrepartie étant un profil de carte plus élevé et un dégagement moindre pouvant affecter le choix de boîtiers des composants voisins.

La position de montage d'un grand condensateur électrolytique aluminium peut également affecter la fiabilité. Les grands condensateurs peuvent chauffer et nécessiter un flux d'air, voire un dissipateur thermique dans certaines conditions. La tension CC appliquée, le courant ondulé et les températures ambiantes extrêmes réduisent la durée de vie opérationnelle en raison de la dérive paramétrique. Habituellement, la résistance série équivalente (ESR) d'un condensateur est le premier paramètre qui s'écarte des spécifications de la fiche technique. À mesure que l'ESR augmente, le condensateur devient progressivement plus chaud. Il finit par tomber en panne lorsqu'il fonctionne à une température si élevée que sa structure interne se décompose et court-circuite effectivement l'anode et la cathode. Dans de très rares cas, la chaleur assèche le condensateur et il devient un circuit ouvert.

La dégradation des condensateurs dans un système peut d'abord se manifester par des défaillances aléatoires, qui se transforment rapidement en défaillance système lorsque le condensateur court-circuite. Ce problème est amplifié pour les batteries de condensateurs connectés en série ou en parallèle ; si un condensateur tombe en panne, toute la batterie tombe en panne. Les batteries de condensateurs réduisent la fiabilité du système car le taux de défaillance de la batterie est le taux de défaillance d'un condensateur multiplié par le nombre de condensateurs dans la batterie. Pour cette raison, les batteries de condensateurs sont déconseillées dans les conceptions haute fiabilité au profit d'un seul grand condensateur.

Condensateurs haute fiabilité et haute densité

Pour les applications haute fiabilité à espace restreint, Cornell Dubilier propose les condensateurs électrolytiques aluminium THA et THAS Thinpack. Conçus pour une densité d'énergie très élevée dans un boîtier extra-plat, les condensateurs sont dotés d'un boîtier soudé au laser qui renferme le condensateur électrolytique pour prévenir les fuites. Cette soudure au laser élimine le recours aux grands joints d'étanchéité qui sont largement utilisés pour sceller les extrémités de la plupart des condensateurs électrolytiques. Une valve dans le boîtier permet l'évacuation des gaz, soulageant la pression interne et réduisant le renflement. La ligne THA a une épaisseur de 8,2 millimètres (mm) et la ligne THAS de 9 mm. La conception des condensateurs THA et THAS garantit 5000 heures de fonctionnement à 85°C et 105°C, respectivement. Ils ont une densité d'énergie de 0,9 joules par centimètre cube (J/cm³).

Pour de nombreuses applications de filtrage et de commande moteur, les concepteurs peuvent utiliser le condensateur 130 microfarads (µF) série THAS THAS131M450AD0C (Figure 1). Le condensateur mesure 66,5 mm de long et seulement 25,4 mm de large. Comme précédemment mentionné, les condensateurs série THAS ne mesurent que 9 mm épaisseur, de sorte qu'une fois en place, ils permettent un profil de circuit imprimé très faible. Répertoriée à 450 volts (V), cette série est adaptée aux applications de commande moteur et aux alimentations compactes. Grâce à sa faible épaisseur, la série convient également aux ordinateurs portables et autres appareils électroniques extra-plats où la hauteur pour les composants est très limitée. Le condensateur peut également être monté verticalement sur un circuit imprimé pour gagner de l'espace carte, par rapport à des condensateurs similaires.

Figure 1 : Le condensateur 130 µF THAS131M450AD0C est répertorié à 450 V et ne mesure que 9 mm d'épaisseur, et il convient aux applications de commande moteur et de circuits imprimés à faible profil. (Source de l'image : Cornell Dubilier)

Avec 130 µF, le THAS131M450AD0C peut être utilisé pour remplacer des batteries de condensateurs plus petits afin d'améliorer la fiabilité. L'ESR du THAS131M450AD0C à 25°C est de 1,12 ohm (Ω) à 120 hertz (Hz), tombant à 0,54 Ω à 20 kilohertz (kHz). Grâce à sa faible ESR, il convient aux alimentations à découpage où la génération de chaleur doit être minimisée. Le courant ondulé à 85°C est répertorié à 1,36 ampère (A), ce qui est également important pour les alimentations.

En tant que membre de la famille de produits THAS de Cornell Dubilier, le condensateur THAS131M450AD0C est doté d'une enveloppe en acier inoxydable pour une durabilité supérieure. Ses bornes de 20 AWG conviennent à la plupart des applications à montage à trou traversant.

Pour les applications où la tension doit être stockée pendant une courte période, les concepteurs peuvent se tourner vers le condensateur 3200 µF, 50 V série THAS THAS322M050AD0C. Ce condensateur mesure également 66,5 mm de long pour une épaisseur de 9 mm, et il est doté d'une enveloppe en acier inoxydable. L'ESR à 120 Hz est de 0,05 Ω, tombant légèrement à 0,04 Ω à 20 kHz. Il peut supporter un courant ondulé de 3,48 A à 20 kHz et de 2,90 A à 20 Hz. Avec cette faible ESR et cette haute tenue en courant, il peut être utilisé comme supercondensateur 50 V pour alimenter temporairement un petit circuit si l'alimentation principale n'est pas disponible.

Comme tous les condensateurs THAS de Cornell Dubilier, le THAS322M050AD0C est doté d'un évent sur le dessus, comme illustré à la Figure 2. L'évent permet au gaz de s'échapper du condensateur dans le cadre d'un fonctionnement normal, bien que le dégagement gazeux puisse augmenter à hautes températures. Le gaz évacué est un mélange d'hydrogène et de gaz résiduaires.

Figure 2 : L'évent situé sur le dessus du condensateur THAS322M050AD0C permet aux gaz internes qui s'accumulent en fonctionnement normal de s'échapper en toute sécurité. (Source de l'image : Cornell Dubilier)

L'évacuation des gaz internes est importante, notamment pour les condensateurs à haute valeur. L'hydrogène et d'autres gaz peuvent s'accumuler à l'intérieur du boîtier en acier, créant une pression qui peut conduire à une défaillance. Si la ventilation d'un condensateur est insuffisante, les gaz internes peuvent s'accumuler au point que l'électrolyte peut fuir sur le circuit imprimé et court-circuiter d'autres composants électroniques. Dans certains cas, le condensateur peut même exploser. Notez cependant qu'il est important, lors de la configuration du circuit imprimé, de s'assurer que l'évent du condensateur n'est pas obstrué.

Pour une capacité de charge plus importante, Cornell Dubilier a développé la série THA. Les condensateurs THA Thinpack ont des enveloppes en aluminium et, avec une épaisseur de 8,2 mm, ils sont légèrement plus fins que ceux de la série THAS. Le THA442M035AC0C est un exemple de condensateur de la série THA de 4400 µF, 50 V. Il mesure 53,8 mm de long et offre une très haute densité d'énergie par rapport aux condensateurs similaires. Il présente une ESR de 0,07 Ω à 120 Hz et de 0,06 Ω à 20 kHz, ce qui le rend idéal pour une utilisation comme source d'alimentation temporaire pour les petits dispositifs électroniques lors de brèves interruptions d'alimentation. Un condensateur de 4400 µF peut également devenir très chaud. Il est donc important de prévoir une circulation d'air adéquate pour le maintenir dans sa plage de fonctionnement recommandée de -55°C à +85°C. Pour les condensateurs haute valeur, il est encore plus important de s'assurer que l'évent n'est pas obstrué. Il est également recommandé de ne pas diriger l'évent vers quelque chose d'inflammable, car le gaz hydrogène est explosif.

Conclusion

Les condensateurs sont des composants essentiels dans les systèmes électroniques. En combinant une haute fiabilité avec une haute densité d'énergie et un format extra-plat, les concepteurs peuvent réduire la taille et améliorer la durée de vie opérationnelle des systèmes électroniques. Un seul condensateur électrolytique à haute densité d'énergie, fabriqué aux États-Unis, permet d'éviter les longs délais d'approvisionnement et de remplacer les batteries de condensateurs pour économiser de l'espace sur la carte.

Ressources

1. Module de formation sur les condensateurs électrolytiques aluminium THA et THAS Thinpack