Viene presentata la formula per la stima della durata di vita dei condensatori, insieme ai calcoli della durata di vita per i condensatori maggiormente soggetti a stress nella progettazione SCC. Infine, vengono analizzate le differenze tra i vari tipi di condensatori e vengono forniti consigli per la selezione del tipo di condensatore più appropriato al fine di ottimizzarne la durata di vita stimata.

Introduzione
Analog Devices ha rilasciato diversi driver per convertitori a condensatori commutati (SCC) e ha integrato questa tecnologia in diversi dispositivi μModule®. Nella conversione di potenza a condensatori commutati, tutta l'energia dall'ingresso all'uscita viene trasferita attraverso il dielettrico del condensatore o dei condensatori, anziché attraverso l'induttore; da qui il nome "convertitori senza induttore". Ciò può rappresentare una sfida per i condensatori a causa dell'aumento delle correnti effettive. Nella progettazione SCC, i cosiddetti condensatori flyback (FFC) vengono commutati periodicamente tra le capacità di ingresso e di uscita, trasferendo così pacchetti di energia dall'ingresso all'uscita ad ogni ciclo di commutazione. Questi sono i componenti maggiormente influenzati dalla tensione di carico di ripple effettiva.
I progettisti di circuiti elettronici spesso scelgono condensatori ceramici multistrato (MLCC) di vari produttori per la loro economicità, le dimensioni compatte e la capacità di resistere a frequenze di commutazione più elevate.
Una legittima preoccupazione riguarda la possibilità che l'aumento della corrente di ripple RMS rappresenti un punto debole del progetto, soprattutto alla luce della recente introduzione sul mercato di interruttori SCC ad alta corrente come l' LTC7825, in grado di erogare correnti di uscita fino a 12 A.

Condensatori in SCC

La Figura 1 mostra lo schema tipico di un progetto SCC che utilizza il chip convertitore LTC7825.

Figura 1. Schema tipico di un convertitore a condensatori commutati 2:1 che utilizza l'LTC7825.

Tabella 1. Condensatori principali utilizzati nella scheda dimostrativa DC2993A-A

Analisi elettrica dei condensatori negli SCC.
verrà utilizzata la scheda dimostrativa DC2933A-A , operante in condizioni massime di ingresso e uscita: una tensione di ingresso di 24 V e una corrente di carico in uscita di 12 A. La tensione di uscita non è regolata a VIN/2 = 12 V e la frequenza di commutazione è impostata a 400 kHz.
Per questo calcolo di esempio, si assume che la temperatura ambiente di funzionamento dei condensatori sia di 60 °C.
Secondo la documentazione della scheda dimostrativa, i condensatori mostrati nella Tabella 1 sono utilizzati per le posizioni principali.
Dopo una rapida analisi in regime stazionario del progetto SCC, trascurando l'ondulazione e le cadute di tensione sui FET di commutazione, possiamo determinare che la tensione continua ai capi di tutti i condensatori, eccetto C(IN), è VIN/2, ovvero 12 V.
Ciò ci consente di valutare gli effetti della polarizzazione continua su questi condensatori.
Per tutte le posizioni dei condensatori relativi all'alimentazione (CHIGH, CLOW, CFLY e COUT), viene utilizzato lo stesso componente da 10 μF, 25 V: codice del produttore GRM188R61E106MA73D.
^Utilizzando il visualizzatore di caratteristiche MLCC SimSurfing di proprietà di Murata, è possibile ottenere i grafici caratteristici nelle Figure 2 e 3 per i principali condensatori in esame.

Figura 2. Caratteristica di polarizzazione CC (10 µF, 20%, 25 V, 0603, X5R).

Figura 3. Caratteristica di frequenza dell'ESR (10 µF, 20%, 25 V, 0603, X5R).

Figura 4. Schema di simulazione dell'LTC7825 per l'SCC con il condensatore CEFF e i parametri ESR.

Per questi grafici, le impostazioni del punto di funzionamento sono: tensione di polarizzazione CC di 12 V, temperatura del componente di 50 °C, frequenza di 400 kHz e corrente di ripple CA rms di 0,2 V.

Nota 1: I condensatori CINno saranno analizzati più dettagliatamente in questo articolo; pertanto, le loro caratteristiche non sono mostrate qui.
Nota 2: Il valore di 0,2 VAC rms è stato scelto come parametro per la caratteristica, in quanto punto intermedio tra altri due possibili valori: 10 mVAC e 1 VAC (un valore che difficilmente si verifica nei MLCC a questo livello di potenza).

I grafici delle caratteristiche del condensatore hanno fornito i seguenti risultati: capacità effettiva (CEFF) di 1,562 μF e resistenza serie equivalente (ESR) di 4 mΩ.
Questi valori sono essenziali per la simulazione del circuito SCC e vengono utilizzati nello LTspice®per osservare le tensioni e le correnti di ripple ai capi dei condensatori principali in analisi. Vedere la Figura 4.
Una volta che la simulazione transitoria raggiunge condizioni di uscita stabili, tracciare i grafici delle tensioni e delle correnti di ripple ai capi di tutti i condensatori in analisi e misurarne i valori picco-picco e RMS utilizzando visualizzatore di forme d'onda di LTspice

Figura 5. Forme d'onda della simulazione dell'ondulazione di corrente dell'LTC7825.

I risultati della simulazione sono riportati nella Tabella 2.
Tabella 2. Tensioni e correnti di funzionamento dei condensatori nel progetto SCC

In base alle forme d'onda e alla tabella riassuntiva delle tensioni e correnti di ripple dei condensatori, i condensatori sottoposti a maggiore stress si trovano nella posizione CFLY, dove la corrente di ripple RMS prevista è di 0,94 A per condensatore. Le altre tre posizioni dei condensatori presentano valori di corrente e tensione pressoché identici.
Va notato che, nel caso del condensatore CFLY, la stima iniziale di 0,2 VAC rms era molto vicina al risultato simulato.

Figura 6. Aumento di temperatura in funzione della corrente RMS (10 µF, 20%, 25 V, 0603, X5R).

Tornando ora al visualizzatore delle caratteristiche dei condensatori MLCC del produttore (strumento online Sim-Surfing), la Figura 6 mostra l'aumento di temperatura previsto a causa della tensione di ripple RMS.
Questo grafico mostra che una corrente di ripple di 0,94 A a una frequenza di 400 kHz aumenterà la temperatura del condensatore di 2 °C.
Un riepilogo di questo studio di progettazione, basato sui risultati della simulazione, è il seguente:
• I condensatori CFLY sono soggetti al massimo stress nella progettazione SCC.
• La tensione di lavoro dei condensatori CFLY è la metà della tensione VIN, che è di 12 VDC sovrapposta a un ripple di 595 mV pp.
• Ciascuno dei condensatori CFLY è soggetto a un ripple di corrente di 0,94 A rms con una frequenza armonica principale di 400 kHz, causando un aumento della temperatura interna di 2 °C rispetto alla temperatura ambiente di 60 °C.

Calcolo della durata di vita dei condensatori MLCC:
Per i condensatori ceramici, l'equazione della durata di vita segue il modello di Eyring e dipende esclusivamente da due fattori di progettazione: tensione applicata e temperatura.^2,3 La temperatura è una combinazione della temperatura del sistema (ambiente) e dell'aumento di temperatura dovuto alla corrente di ripple RMS.
La durata di vita di un MLCC può essere stimata solo attraverso test di vita altamente accelerati (HALT), in cui vengono applicate tensioni e temperature eccessive e viene misurato il parametro del tempo medio di guasto (MTTF) del lotto di campioni. Da questi test di vita accelerati, vengono calcolate (o stimate empiricamente) le costanti di accelerazione di tensione e temperatura. Come passaggio finale, viene calcolata la durata di vita del condensatore che opera in condizioni di tensione e temperatura moderate.
Secondo le FAQ di Murata sui condensatori ceramici,3 la formula empirica semplificata per il calcolo della durata di vita dei condensatori MLCC è CFLY, dove la corrente di ripple efficace prevista è 0,94 A, come mostrato di seguito:

dove:
• LA, LN — durata utile in condizioni accelerate e nominali
• n: costante di accelerazione della tensione
• TA, TN: temperatura in condizioni accelerate e nominali
• θ: costante di accelerazione della temperatura
Per i condensatori MLCC di classe 2, da cui vengono solitamente selezionati tutti i condensatori relativi alla potenza, le costanti di accelerazione sono: n = 3 e θ = 8.
I condensatori CFLY analizzati appartengono alla categoria di prodotto "MLCC per elettronica di consumo e apparecchiature industriali", che ha le seguenti condizioni di prova accelerate (Specifiche di prova di servizio, sezione 16):4
• Temperatura di prova (TA) — temperatura massima di esercizio ±3 °C
• Tensione di prova (VA) — 150 % della tensione nominale
• Tempo di prova (LA) — 1000 ±12 ore
• I condensatori in esame hanno una tensione nominale di 25 V e una temperatura nominale di 85 °C.
Si prega di notare che per diversi codici articolo o tipi di condensatori, le condizioni di prova accelerate possono variare e devono essere consultate con il produttore.
Le informazioni di cui sopra forniscono tutti i dati necessari per calcolare la durata stimata in condizioni operative di 12 V e 62 °C:

la durata stimata dei condensatori ceramici CFLY, operanti a 12 V e a una temperatura ambiente di 60 °C, è superiore a 223.000 ore, ovvero 25,5 anni.

Analisi della durata di vita dei condensatori MLCC:
la formula per la durata di vita riportata nell'Equazione 1 indica ai progettisti che una riduzione appropriata delle condizioni operative dei condensatori MLCC (tensione e temperatura) è fondamentale per una lunga durata. Maggiore è la riduzione, maggiore sarà la durata di vita del condensatore.
Attualmente, i condensatori in questione, CFLY, sono classificati per 25 V/85 °C e utilizzano materiale di Classe 2 di tipo X5R.
La scelta di un diverso tipo di materiale dielettrico, ad esempio X6S (con una tensione nominale di 25 V/105 °C) o X7R (con una tensione nominale di 25 V/125 °C), aumenterà ulteriormente la loro durata di vita stimata grazie al maggiore fattore di riduzione della potenza a temperature elevate. È importante notare che, anziché aumentare la tensione nominale, è più pratico aumentare la temperatura nominale. Per i progetti che richiedono una lunga durata di vita, questa pratica è fortemente raccomandata.
La durata di vita dei condensatori MLCC si riduce man mano che le condizioni operative si avvicinano ai valori nominali.
Ad esempio, la durata di vita prevista nel settore è in genere di 10 anni, che corrisponde a circa 87.800 ore di funzionamento. Per questo tipo di MLCC, tale durata di vita viene raggiunta quando la temperatura raggiunge i 73 °C.
Questa temperatura non è irrealistica per l'esempio di progettazione fornito, poiché le misurazioni termiche del DC2933A-A mostrano che la temperatura ee del circuito integrato di commutazione raggiunge un massimo di 83,1 °C, che riscalderà l'area circostante di circa 10-20 °C rispetto alla temperatura ambiente, quindi anche i condensatori vicini si riscalderanno.
Pertanto, si raccomanda di tenere gli MLCC lontani da componenti caldi per preservarne la durata di vita accettabile.
Eseguire misurazioni termiche del circuito reale e verificare le temperature effettive dei condensatori. Ciò fornirà una stima più accurata della loro durata di vita inserendo le temperature effettive nella formula dell'Equazione 2.
Gli MLCC si riscaldano a causa delle perdite interne I²R, dove R è il loro parametro ESR interno. Per i condensatori in questo esempio, l'ESR è di 4 mΩ, che, per queste piccole dimensioni (0603), è un valore molto rispettabile.
Per migliorare ulteriormente la durata, si potrebbe considerare di trovare un componente con un ESR ancora inferiore, tenendo presente che l'ESR deve essere valutata alla frequenza di commutazione del progetto. Si noti che, in genere, un ESR inferiore corrisponde a dimensioni del package maggiori.
Una ricerca nel catalogo dei condensatori MLCC del produttore rivela un condensatore da 22 μF, 25 V, 0805, X5R con numero di riferimento GRM21BR61E226ME44, il cui valore di ESR è di 2 mΩ a 400 kHz, ovvero la metà del valore originale dei condensatori 0603.
Le figure 7 e 8 provengono dallo strumento online MLCC Sim-Surfing, applicato al modello GRM21BR61E226ME44.

Figura 7. Caratteristica di polarizzazione CC (22 µF, 20%, 25 V, 0805, X5R).

Figura 8. Caratteristica ESR in funzione della frequenza (22 µF, 20%, 25 V, 0805, X5R).

Un valore ESR inferiore consente al condensatore di gestire meglio la corrente di ripple RMS, con conseguente minore aumento di temperatura nelle stesse condizioni di ripple. Inoltre, il valore e le dimensioni maggiori implicano anche un minore effetto di polarizzazione CC e una maggiore capacità effettiva (CEFF), il che significa che invece di 16 componenti (condensatori 0603), sono necessari solo da sei a otto componenti di dimensioni 0805.
La scelta di condensatori di alta qualità con un ESR inferiore influenzerà direttamente anche la durata del componente, riducendo l'aumento di temperatura causato dalla corrente di ripple RMS. Tuttavia, ciò è vero solo se la corrente RMS per condensatore rimane la stessa. D'
altra parte, lo svantaggio di utilizzare un minor numero di condensatori in un contenitore più grande è che la loro corrente effettiva per componente sarà maggiore. Ciò si traduce in un fattore di circa 2 nella potenza I²R dissipata all'interno dell'MLCC (per circa il doppio di I e la metà di R, nell'esempio analizzato). La maggiore dissipazione di potenza si traduce quindi in temperature leggermente più elevate negli MLCC, il che ha un impatto negativo sulla loro durata.
Si raccomanda di scegliere un produttore di MLCC che fornisca grafici di caratterizzazione misurati per i propri prodotti, preferibilmente a valori operativi specifici per la propria applicazione (o prossimi ad essi).
Per i progettisti di sistemi di alimentazione, ecco alcune linee guida per prolungare la durata dei MLCC: limitare l'aumento della temperatura interna del MLCC a meno di ~5 °C rispetto alla temperatura ambiente.

Conclusione:
Nei calcoli, ogni parametro utilizza i valori tipici per ciascuna delle 16 parti del condensatore CFLY; ovvero, il calcolo viene eseguito per il componente ideale.
Tuttavia, nella realtà, ogni componente del progetto è unico e soggetto alle tolleranze dei suoi parametri.
Inoltre, ogni parte è posizionata in una posizione specifica sul circuito stampato (PCB), dove il PCB stesso ha i propri elementi parassiti R, L e C. Tutti questi fattori fanno sì che la corrente di ripple RMS totale vari, non essendo distribuita uniformemente tra ciascuno dei 16 condensatori CFLY.
A questo punto, ogni progettista può introdurre il proprio moltiplicatore per il caso peggiore, in base alla propria esperienza, quando esegue i calcoli per stimare le variazioni dei componenti reali. In alcuni settori specifici (o aziende), questi moltiplicatori per il caso peggiore sono specificati nelle linee guida di progettazione interne. Questo moltiplicatore è solitamente compreso tra 1,05 e 3,0, a seconda del livello di criticità del progetto.
Ad esempio, se si seleziona un moltiplicatore vicino al valore medio, ovvero 2, lo scenario peggiore per la tensione di ripple RMS di un singolo condensatore nel nostro esempio sarebbe: 2 × 0,94 A = ~2 A rms.
Questo ripple RMS più elevato (che è solo una stima) aumenterà quindi la temperatura interna a circa 7 °C invece di 2 °C (vedere Figura 6), causando una riduzione della durata stimata a circa 145.000 ore.
Va inoltre notato che la corrente di ripple RMS più elevata tende a fluire attraverso i componenti più vicini all'interruttore, poiché in genere presentano i minori effetti parassiti nella progettazione del circuito stampato, con conseguente maggiore aumento di temperatura all'interno di questi componenti. Oltre all'autoriscaldamento causato dal ripple RMS, il circuito integrato dell'interruttore stesso è una fonte di calore significativa, quindi la vicinanza a questo generatore di calore ne aumenterà ulteriormente la temperatura.
In questo caso, una progettazione accurata è essenziale per trovare un equilibrio tra prestazioni termiche ed elettriche e, in definitiva, le prestazioni del progetto finale devono essere valutate su schede prototipo prima dell'implementazione nei sistemi definitivi.
L'importanza di una selezione accurata dei condensatori SCC è ulteriormente sottolineata da una piccola nota nell'elenco dei componenti nella Tabella 1: "Non è consentita la sostituzione". Ciò significa che la scelta del componente giusto per questi condensatori non è banale; i progettisti devono comprendere e soddisfare i requisiti specifici di questi condensatori e, soprattutto, tenere presente che non tutti i condensatori da 10 μF, 25 V disponibili in commercio soddisfano tali requisiti.

Riferimenti
1 Strumento SimSurfing Characteristics Viewer (applicato al modello GRM188R61E106MA73). Murata.
2 Jonathan Bock, Will Bachman, Scott Ehlers e Jack Flickert. "Affidabilità dei MLCC X7R nei test di durata a polarità alternata altamente accelerati". IEEE Transactions of Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, n. 5, maggio 2024.
3 "Esistono metodi per stimare la durata di un condensatore?" Murata.
4 Condensatori ceramici multistrato su chip per elettronica di consumo e apparecchiature industriali. Murata.

Informazioni sull'autore:
Erich Horňan è un ingegnere applicativo sul campo per prodotti di potenza. Prima di entrare in Analog Devices, ha lavorato come ingegnere progettista elettrico in diversi progetti di sistemi di alimentazione per i settori aerospaziale, industriale e medicale. Ha conseguito una laurea magistrale in ingegneria elettrica con specializzazione in microelettronica presso l'Università Tecnica Slovacca.