É apresentada a fórmula para estimar a vida útil dos condensadores, juntamente com os cálculos de vida útil para os condensadores mais sujeitos a stress no projeto SCC. Por fim, são analisadas as diferenças entre os vários tipos de condensadores e são oferecidas recomendações para a seleção do tipo de condensador apropriado para melhorar a sua vida útil estimada.

Introdução:
A Analog Devices lançou vários drivers de conversores de condensadores comutados (SCC) e incorporou esta tecnologia em vários dispositivos μModule®. Na conversão de energia por condensadores comutados, toda a energia da entrada para a saída é transferida através do dielétrico do condensador ou dos condensadores, em vez de através do indutor; daí o nome de "conversores sem indutor". Isto pode representar um desafio para os condensadores devido ao aumento das correntes efetivas. No projeto de SCC, os chamados condensadores flyback (FFCs) são comutados periodicamente entre as capacitâncias de entrada e de saída, transferindo pacotes de energia da entrada para a saída a cada ciclo de comutação. Estes são os componentes mais afetados pela ondulação efetiva da tensão de carga. Os
projetistas elétricos optam frequentemente por condensadores cerâmicos multicamadas (MLCCs) de diversos fabricantes devido ao seu custo-benefício, tamanho compacto e capacidade de suportar frequências de comutação mais elevadas.
Uma preocupação válida é se o aumento da corrente de ondulação RMS representa uma fragilidade do projeto, especialmente com o recente lançamento de interruptores SCC de alta corrente, como o LTC7825, que podem fornecer correntes de saída até 12 A.

Capacitores em SCCs

A Figura 1 mostra o esquema típico de um projeto SCC utilizando o chip conversor LTC7825.

Figura 1. Diagrama esquemático típico de um conversor de condensador comutado 2:1 utilizando o LTC7825.

Tabela 1. Principais condensadores utilizados na placa de demonstração DC2993A-A

Análise Elétrica de Capacitores em Circuitos de Comutação de Baixa Tensão (SCCs).
será utilizada a placa de demonstração DC2933A-A , operando em condições máximas de entrada e saída: tensão de entrada de 24 V e corrente de carga de saída de 12 A. A tensão de saída é não regulada, com VIN/2 = 12 V, e a frequência de comutação de operação está definida para 400 kHz.
Para este exemplo de cálculo, a temperatura ambiente de funcionamento dos condensadores é considerada de 60 °C.
De acordo com a documentação da placa de demonstração, os condensadores apresentados na Tabela 1 são utilizados nas posições principais.
Após uma rápida análise em regime permanente do circuito de comutação de baixa tensão, desprezando a ondulação e as quedas de tensão nos MOSFET de comutação, podemos determinar que a tensão CC em todos os condensadores, exceto C(IN), é VIN/2, ou seja, 12 V.
Isto permite-nos avaliar os efeitos da polarização CC nestes condensadores.
Para todas as posições dos condensadores relacionadas com a alimentação (CHIGH, CLOW, CFLY e COUT), é utilizado o mesmo componente de 10 μF e 25 V: número de peça do fabricante GRM188R61E106MA73D.
^Utilizando o visualizador de recursos MLCC SimSurfing, da Murata, podem ser obtidos os gráficos característicos das Figuras 2 e 3 para os principais condensadores em estudo.

Figura 2. Característica de polarização CC (10 µF, 20%, 25 V, 0603, X5R).

Figura 3. Característica de frequência da ESR (10 µF, 20%, 25 V, 0603, X5R).

Figura 4. Esquema de simulação do LTC7825 para a SCC com o condensador CEFF e parâmetros ESR.

Para estes gráficos, as definições do ponto de funcionamento são: tensão de polarização CC de 12 V, temperatura do componente de 50 °C, frequência de 400 kHz e corrente de ondulação CA RMS de 0,2 V.

Nota 1: Os condensadores CINno serão analisados ​​com mais detalhe neste artigo; portanto, as suas características não são aqui mostradas.
Nota 2: O valor de 0,2 VCA rms foi selecionado como parâmetro para a característica, como um ponto médio entre dois outros valores possíveis: 10 mVCA e 1 VCA (um valor que é improvável de ocorrer em MLCCs a este nível de potência).

Os gráficos das características do condensador forneceram os seguintes resultados: capacitância efetiva (CEFF) de 1,562 μF e resistência equivalente em série (ESR) de 4 mΩ.
Estes valores são essenciais para a simulação do circuito SCC e são utilizados no do LTspice®para observar as tensões e correntes de ondulação nos condensadores principais em análise. Ver Figura 4.
Assim que a simulação transitória atingir condições de saída estáveis, represente as tensões e correntes de ondulação em todos os condensadores em análise e meça os seus valores pico a pico e RMS utilizando visualizador de formas de onda do LTspice

Figura 5. Formas de onda da simulação de ondulação de corrente do LTC7825.

Os resultados da simulação são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2. Tensões e correntes de funcionamento dos condensadores no projeto SCC

Com base nas formas de onda e na tabela de resumo das tensões e correntes de ondulação dos condensadores, os condensadores sob maior stress estão localizados na posição CFLY, onde a corrente de ondulação RMS esperada é de 0,94 A por condensador. As outras três posições de condensadores apresentam valores de corrente e tensão quase idênticos.
É de notar que, no caso do condensador CFLY, a estimativa inicial de 0,2 VCA RMS foi muito próxima do resultado simulado.

Figura 6. Elevação da temperatura versus corrente rms (10 µF, 20%, 25 V, 0603, X5R).

Voltando agora ao visualizador de características de condensadores MLCC do fabricante (ferramenta online Sim-Surfing), a Figura 6 mostra o aumento de temperatura esperado devido à ondulação da corrente RMS.
Este gráfico mostra que uma ondulação de corrente de 0,94 A a uma frequência de 400 kHz aumentará a temperatura do condensador em 2 °C.
Um resumo deste estudo de projeto, baseado nos resultados da simulação, é o seguinte:
• Os condensadores CFLY são submetidos à maior tensão no projeto SCC.
• A tensão de funcionamento dos condensadores CFLY é metade da tensão VIN, que é de 12 VCC sobreposta a uma ondulação de 595 mVpp.
• Cada um dos condensadores CFLY é sujeito a uma ondulação de corrente de 0,94 A RMS com uma frequência harmónica principal de 400 kHz, fazendo com que a temperatura interior suba 2 °C acima da temperatura ambiente de 60 °C.

Cálculo da Vida Útil dos MLCCs:
Para condensadores cerâmicos, a equação da vida útil segue o modelo de Eyring e depende exclusivamente de dois fatores de projeto: tensão aplicada e temperatura. ^2,3 A temperatura é uma combinação da temperatura do sistema (ambiente) e do aumento de temperatura devido à ondulação da corrente RMS.
A vida útil de um MLCC só pode ser estimada através de testes de vida altamente acelerados (HALT), nos quais são aplicadas tensões e temperaturas excessivas e o parâmetro de tempo médio até à falha (MTTF) do lote de amostras é medido. A partir destes ensaios de vida acelerados, são calculadas (ou estimadas empiricamente) as constantes de aceleração da tensão e da temperatura. Como etapa final, calcula-se a vida útil do condensador operando sob condições moderadas de tensão e temperatura.
De acordo com as perguntas frequentes da Murata sobre condensadores cerâmicos,³ a fórmula empírica simplificada para calcular a vida útil dos MLCCs é CFLY, onde a ondulação efetiva esperada é de 0,94 A, como se mostra abaixo:

Onde:
• LA, LN — vida útil em condições aceleradas e nominais
• n: constante de aceleração de tensão
• TA, TN: temperatura em condições aceleradas e nominais
• θ: constante de aceleração de temperatura
Para MLCCs de classe 2, dos quais todos os condensadores relacionados com a potência são geralmente selecionados, as constantes de aceleração são: n = 3 e θ = 8.
Os condensadores CFLY analisados ​​​​pertencem à categoria de produto "MLCC para eletrónica de consumo e equipamentos industriais", que apresenta as seguintes condições de ensaio acelerado (Especificação de Ensaio de Serviço, secção 16):4
• Temperatura de ensaio (TA) — temperatura máxima de funcionamento ±3 °C
• Tensão de ensaio (VA) — 150% da tensão nominal
• Tempo de ensaio (LA) — 1000 ±12 horas
• Os condensadores em estudo têm uma tensão nominal de 25 V e uma temperatura nominal de 85 °C.
Note que, para diferentes números de peça ou tipos de condensador, as condições de teste acelerado podem variar e devem ser consultadas com o fabricante.
A informação acima fornece todos os dados necessários para calcular a vida útil estimada em condições de funcionamento de 12 V e 62 °C:

A vida útil estimada dos condensadores cerâmicos CFLY, a funcionar a 12 V e a uma temperatura ambiente de 60 °C, é superior a 223.000 horas, ou 25,5 anos.

Análise da Vida Útil dos MLCCs:
A fórmula da vida útil da Equação 1 indica aos projetistas que a redução adequada das condições de funcionamento dos MLCCs (tensão e temperatura) é fundamental para uma longa vida útil. Quanto maior for a redução, maior será a vida útil do condensador.
Atualmente, os condensadores em questão, CFLY, estão classificados para 25 V/85 °C e utilizam material de Classe 2 do tipo X5R.
A seleção de um tipo diferente de material dielétrico, por exemplo, X6S (com uma classificação de tensão de 25 V/105 °C) ou X7R (com uma classificação de tensão de 25 V/125 °C), aumentará ainda mais a sua vida útil estimada devido ao maior fator de redução de potência a temperaturas elevadas. É de notar que, em vez de aumentar a classificação de tensão, é mais prático aumentar a classificação de temperatura. Para projetos que exijam uma longa vida útil, esta prática é altamente recomendada.
A vida útil dos MLCCs diminui à medida que as condições de funcionamento se aproximam dos seus valores nominais.
Por exemplo, a vida útil esperada na indústria é tipicamente de 10 anos, o que equivale a aproximadamente 87.800 horas de funcionamento. Para este tipo de MLCC, esta vida útil é atingida quando a temperatura atinge os 73 °C.
Esta temperatura não é irrealista para o exemplo de projeto em questão, dado que as medições térmicas do DC2933A-A mostram que a temperatura do díodo de realimentação (ee) do CI de comutação atinge um máximo de 83,1 °C, o que aquecerá a área circundante em cerca de 10 °C a 20 °C acima da temperatura ambiente, fazendo com que os condensadores próximos também aqueçam.
Assim, recomenda-se manter os MLCCs afastados dos componentes quentes para preservar a sua vida útil aceitável.
Realize medições térmicas do circuito real e verifique as temperaturas reais dos condensadores. Isto fornecerá uma estimativa mais precisa da sua vida útil, inserindo as temperaturas reais na fórmula da Equação 2.
Os MLCCs aquecem devido às perdas internas I²R, onde R é o seu parâmetro ESR interno. Para os condensadores deste exemplo, a ESR é de 4 mΩ, o que, para este pequeno tamanho 0603, é um valor muito bom.
Para aumentar ainda mais a vida útil, considere encontrar um componente com uma ESR ainda mais baixa, tendo em conta que a ESR deve ser avaliada na frequência de comutação do projeto. Note-se que, geralmente, uma ESR mais baixa implica um encapsulamento maior.
Uma pesquisa no catálogo de condensadores MLCC do fabricante revela um condensador de 22 μF, 25 V, 0805, X5R com o número de referência GRM21BR61E226ME44, cujo valor de ESR é de 2 mΩ a 400 kHz, que é metade do valor original dos condensadores 0603.
As Figuras 7 e 8 são da ferramenta online MLCC Sim-Surfing, aplicada ao modelo GRM21BR61E226ME44.

Figura 7. Característica de polarização CC (22 µF, 20%, 25 V, 0805, X5R).

Figura 8. Característica ESR em função da frequência (22 µF, 20%, 25 V, 0805, X5R).

Uma ESR mais baixa permite que o condensador lide melhor com a corrente de ondulação RMS, resultando num menor aumento de temperatura nas mesmas condições de ondulação. Além disso, o maior valor e tamanho também implicam um menor efeito de polarização CC e uma maior capacitância efetiva (CEFF), o que significa que, em vez de 16 componentes (condensadores 0603), são necessários apenas seis a oito componentes de tamanho 0805.
A escolha de condensadores de alta qualidade com ESR mais baixa também influenciará diretamente a vida útil do componente, reduzindo o aumento de temperatura causado pela corrente de ondulação RMS. No entanto, isto só é válido se a corrente RMS por condensador se mantiver a mesma. Por
outro lado, a desvantagem de utilizar menos condensadores num encapsulamento maior é que a sua corrente efetiva por componente será maior. Isto resulta num factor de aproximadamente 2× na potência I²R dissipada dentro do MLCC (para aproximadamente o dobro de I e metade de R, no exemplo analisado). A maior dissipação de potência traduz-se em temperaturas ligeiramente mais elevadas nos MLCCs, o que impacta negativamente a sua vida útil.
Recomenda-se a escolha de um fabricante de MLCCs que forneça gráficos de caracterização dos seus produtos, preferencialmente com valores operacionais específicos (ou próximos destes) para a sua aplicação.
Para os designers de sistemas de energia, seguem algumas orientações para prolongar a vida útil dos MLCCs: limitar o aumento da temperatura interna do MLCC a menos de 5 °C acima da temperatura ambiente.

Conclusão:
Nos cálculos, cada parâmetro utiliza os valores típicos para cada uma das 16 partes do condensador CFLY; ou seja, o cálculo é realizado para o componente ideal.
No entanto, na realidade, cada componente do projeto é único e está sujeito às tolerâncias dos seus parâmetros.
Além disso, cada parte está localizada numa posição específica na placa de circuito impresso (PCI), onde a própria PCI possui os seus próprios elementos parasitas R, L e C. Todos estes fatores fazem com que a corrente de ondulação RMS total varie, não sendo distribuída igualmente entre cada um dos 16 condensadores CFLY.
Neste ponto, cada projectista pode introduzir o seu próprio multiplicador de pior caso, com base na sua experiência, ao realizar cálculos para estimar as variações das componentes reais. Em alguns setores (ou empresas) específicos, estes multiplicadores do pior caso são especificados em diretrizes de projeto internas. Este multiplicador situa-se geralmente entre 1,05 e 3,0, dependendo do nível de criticidade do projeto.
Por exemplo, se for selecionado um multiplicador próximo do valor médio, ou seja, 2, o pior cenário para a tensão de ondulação RMS de um único condensador no nosso exemplo seria: 2 × 0,94 A = ~2 A rms.
Esta ondulação RMS mais elevada (que é apenas uma estimativa) elevará a temperatura interior para aproximadamente 7 °C em vez de 2 °C (ver Figura 6), fazendo com que a vida útil estimada seja reduzida para aproximadamente 145.000 horas.
É também de notar que a maior corrente de ondulação RMS tende a fluir através dos componentes mais próximos do interruptor, uma vez que normalmente apresentam os menores efeitos parasitas no design da placa de circuito impresso, resultando num maior aumento de temperatura nestes componentes. Além do autoaquecimento causado pela ondulação RMS, o próprio CI do interruptor é uma fonte de calor significativa, pelo que a proximidade com este gerador de calor aumentará ainda mais a sua temperatura.
Neste caso, um projeto cuidadoso é essencial para alcançar um equilíbrio entre o desempenho térmico e elétrico e, em última análise, o desempenho final do projeto deve ser avaliado em placas protótipo antes da implementação nos sistemas finais.
A importância da seleção criteriosa dos condensadores SCC é ainda reforçada por uma pequena nota na lista de componentes da Tabela 1: “Não é permitida a substituição”. Isto significa que selecionar o componente correto para estes condensadores não é trivial; os projetistas devem compreender e satisfazer os requisitos específicos destes condensadores e, acima de tudo, ter em mente que nem todos os condensadores de 10 μF, 25 V disponíveis comercialmente irão satisfazer estes requisitos.

Referências
1 Ferramenta SimSurfing Characteristics Viewer (aplicada ao modelo GRM188R61E106MA73). Murata.
2 Jonathan Bock, Will Bachman, Scott Ehlers e Jack Flickert. “Fiabilidade dos MLCCs X7R em testes de vida útil de polaridade alternada altamente acelerados.” IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, nº 5, maio 2024.
3 “Existem métodos para estimar a vida útil de um condensador?” Murata.
4 Capacitores cerâmicos multicamadas em chip para equipamentos eletrónicos de consumo e industriais. Murata.

Sobre o autor:
Erich Horňan é engenheiro de aplicações de campo para produtos energéticos. Antes de se juntar à Analog Devices, trabalhou como engenheiro de projeto elétrico em diversos projetos de sistemas de energia para os setores aeroespacial, industrial e médico. É mestre em Engenharia Elétrica com especialização em microelectrónica pela Universidade Técnica Eslovaca.