Se presenta la fórmula para estimar la vida útil de los condensadores, junto con el cálculo de la vida útil de los condensadores más sometidos a esfuerzo en el diseño del SCC. Por último, se analizan las diferencias entre varios tipos de condensadores y se ofrecen recomendaciones para la selección adecuada del tipo de condensador, con el fin de mejorar su vida útil estimada.

Introducción
Analog Devices ha lanzado al mercado varios controladores de convertidores de condensadores conmutados (SCC) y ha incorporado esta tecnología en varios dispositivos μModule®. En la conversión de potencia mediante condensadores conmutados, toda la energía, desde la entrada hasta la salida, se transfiere a través del dieléctrico del condensador o condensadores, en lugar de a través del inductor; de ahí el nombre de «convertidores sin inductor». Esto puede suponer un reto para los condensadores debido al aumento de las corrientes eficaces. En el diseño SCC, los denominados condensadores volantes (CFLY) se conmutan periódicamente entre las capacitancias de entrada y salida, transfiriendo así los paquetes de energía de la entrada a la salida en cada ciclo de conmutación a través de ellos. Estos son los que se ven más afectados por la tensión de la carga de ondulación eficaz.
Los diseñadores eléctricos suelen optar por condensadores cerámicos multicapa (MLCC) de diversos fabricantes debido a su relación calidad-precio, su tamaño compacto y su capacidad para soportar frecuencias de conmutación más altas.
Una preocupación válida es si el aumento de la corriente de ondulación rms supone un punto débil del diseño, especialmente con el reciente lanzamiento de conmutadores SCC de alta corriente como el LTC7825, que puede suministrar corrientes de salida de hasta 12 A.

Condensadores en los SCC

La figura 1 muestra el esquema típico del diseño de un SCC que utiliza el chip convertidor LTC7825.

Figura 1. Esquema típico de un convertidor 2:1 de condensadores conmutados que utiliza el LTC7825.

Tabla 1. Principales condensadores utilizados en la placa de demostración DC2993A-A

Análisis eléctrico de los condensadores en los SCC
En este estudio se utilizará el diseño de la placa de demostración DC2933A-A y se hará funcionar en las condiciones máximas de entrada y salida: tensión de entrada de 24 V y corriente de carga de salida de 12 A. La tensión de salida no está regulada a VIN/2 = 12 V, y la frecuencia de conmutación de funcionamiento se ha fijado en 400 kHz.
Para este ejemplo de cálculo, se supone que la temperatura ambiente de funcionamiento de los condensadores es de 60 °C.
Según la documentación de la placa de demostración, se utilizan los condensadores que se muestran en la Tabla 1 para las posiciones principales.
Tras un análisis rápido en estado estacionario del diseño SCC, sin tener en cuenta la ondulación ni las caídas de tensión en los FET de conmutación, podemos determinar que la tensión de CC en todos los condensadores, excepto en C(IN),es VIN/2, es decir, 12 V.
Esto permite evaluar los efectos de la polarización de CC en estos condensadores.
Para todas las posiciones de condensadores relacionadas con la potencia (CHIGH, CLOW, CFLYy COUT), se utiliza el mismo componente de 10 μF y 25 V: número de referencia del fabricante GRM188R61E106MA73D.
Utilizando el visor de características de MLCC SimSurfing, propiedad de Murata, se pueden obtener los gráficos de características de las figuras 2 y 3 para los principales condensadores objeto de estudio.¹

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

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

Figura 4. Esquema de simulación del LTC7825 para el SCC con los parámetros del condensador CEFF y ESR.

Para estos gráficos, los ajustes del punto de funcionamiento son: tensión de polarización de 12 V CC, temperatura del componente de 50 °C, frecuencia de 400 kHz y corriente de ondulación de 0,2 V CA rms.

Nota 1: Los condensadores CINno se analizarán con más detalle en este artículo; por lo tanto, sus características no se muestran aquí.
Nota 2: Se seleccionó el valor de 0,2 VCA rms como parámetro para la característica, como término medio entre otros dos valores posibles: 10 mVCA y 1 VCA (valor que es poco probable que se dé en los MLCC a este nivel de potencia).

Los resultados de los gráficos de características del condensador son: la capacitancia efectiva (CEFF) es de 1,562 μF y la resistencia en serie equivalente (ESR) es de 4 mΩ.
Estos valores son esenciales para simular el circuito SCC y se utilizan en el esquema de simulación de LTspice®para observar las tensiones y corrientes de ondulación a través de los condensadores principales analizados. Véase la figura 4.
Una vez que la simulación transitoria alcance condiciones de salida estables, represente gráficamente las tensiones y corrientes de ondulación de todos los condensadores analizados y mida sus valores pico a pico y eficaces, utilizando la herramienta de medición integrada en el visor de formas de onda de LTspice.

Figura 5. Formas de onda de la simulación de la ondulación de corriente del LTC7825.

Los resultados de la simulación se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Tensiones y corrientes de trabajo de los condensadores en el diseño SCC

A partir de las formas de onda y de la tabla resumen de las tensiones y corrientes de ondulación de los condensadores, los condensadores más sometidos a tensión se encuentran en la posición en la posición CFLY, donde la corriente de ondulación eficaz esperada es de 0,94 A por condensador. Las otras tres posiciones de condensadores presentan tensiones de corriente y tensión casi idénticas.
Cabe señalar que, en el caso del condensador CFLY, la estimación previa de 0,2 VCA rms se acercaba mucho al resultado simulado.

Figura 6. Aumento de temperatura frente a corriente rms (10 µF, 20 %, 25 V, 0603, X5R).

Volviendo ahora al visor de características de condensadores MLCC de los fabricantes (herramienta en línea Sim-Surfing), la figura 6 muestra el aumento de temperatura previsto debido a la tensión de la corriente de ondulación rms.
Este gráfico muestra que una corriente de ondulación de 0,94 A con una frecuencia de 400 kHz aumentará la temperatura del condensador en 2 °C.
Un resumen de este estudio de diseño, basado en los resultados de la simulación, es el siguiente:
• Los condensadores CFLYson los que están sometidos a mayor estrés en el diseño del SCC.
• La tensión de trabajo de los condensadores CFLYes la mitad de la tensión VIN, que es de 12 VCC superpuesta a una ondulación de 595 mV p-p.
• Cada uno de los condensadores CFLYestá sometido a una ondulación de corriente de 0,94 A rms con una frecuencia armónica principal de 400 kHz, lo que provoca que la temperatura interna aumente 2 °C por encima de la temperatura ambiente de 60 °C.

Cálculo de la vida útil de los MLCC
En el caso de los condensadores cerámicos, la ecuación de vida útil se ajusta al modelo de Eyring y depende únicamente de dos factores de diseño: la tensión aplicada y la temperatura.2,3 La temperatura es una combinación de la temperatura del sistema (ambiente) y el aumento de temperatura debido a la corriente de ondulación rms.
La vida útil del MLCC solo puede estimarse mediante ensayos de vida útil altamente acelerados (HALT), en los que se aplican tensiones y temperaturas excesivas y se mide el parámetro de tiempo medio hasta el fallo (MTTF) del lote de muestras. A partir de estos ensayos de vida útil acelerados, se calculan (o se estiman empíricamente) las constantes de aceleración de tensión y temperatura. Como paso final, se calcula la vida útil del condensador funcionando en condiciones moderadas de tensión y temperatura.
Según la nota de preguntas frecuentes sobre los condensadores cerámicos de Murata,3 la fórmula empírica simplificada para calcular la vida útil de los MLCC es CFLY, donde la corriente de ondulación eficaz esperada es de 0,94 A, tal y como se indica a continuación:

donde:
• LA , LN —vida útil en condiciones aceleradas y nominales
• n: constante de aceleración de tensión
• TA, TN: temperatura en condiciones aceleradas y nominales
• θ: constante de aceleración de la temperatura
Para los MLCC de clase 2, de entre los que suelen seleccionarse todos los condensadores relacionados con la potencia, las constantes de aceleración son: n = 3 y θ = 8.
Los condensadores CFLYanalizados pertenecen a la categoría de productos «MLCC para electrónica de consumo y equipos industriales», que presenta las siguientes condiciones de ensayo acelerado (Especificación del ensayo de durabilidad, sección 16):4
• Temperatura de ensayo (TA) — temperatura máxima de funcionamiento ±3 °C
• Tensión de ensayo (VA) — 150 % de la tensión nominal
• Tiempo de ensayo (LA )—1000 ±12 horas
• Los condensadores objeto de estudio tienen una tensión nominal de 25 V y una temperatura nominal de 85 °C.
Tenga en cuenta que, para un número de referencia o tipo de condensador diferente, las condiciones de ensayo acelerado pueden variar y es necesario consultarlas con el fabricante.
La información anterior proporciona todos los datos necesarios para calcular la vida útil estimada en condiciones de funcionamiento de 12 V y 62 °C:

La vida útil estimada de los condensadores cerámicos CFLY, que funcionan a 12 V y a una temperatura ambiente de 60 °C, es de más de 223 mil horas, es decir, 25,5 años.

Análisis de la vida útil de los MLCC
La fórmula de la vida útil de la ecuación 1 indica a los diseñadores que una reducción adecuada de las condiciones de funcionamiento de los MLCC (tensión y temperatura) es la clave para una larga vida útil. Cuanto mayor sea la reducción, mayor será la vida útil del condensador.
Actualmente, los condensadores en cuestión, CFLY, están clasificados para 25 V/85 °C y utilizan material de clase 2 del tipo X5R.
La selección de un tipo diferente de material dieléctrico, por ejemplo, X6S (con una tensión nominal de 25 V/105 °C) o X7R (con una tensión nominal de 25 V/125 °C), aumentará aún más su vida útil estimada debido al mayor factor de reducción de potencia a temperaturas elevadas. Cabe señalar que, en lugar de aumentar la tensión nominal, resulta más práctico aumentar la temperatura nominal. Para diseños que requieran una alta vida útil, esta práctica es muy recomendable.
La vida útil de los MLCC se acorta a medida que las condiciones de funcionamiento se acercan a los valores nominales.
Por ejemplo, la vida útil prevista en el sector suele ser de 10 años, lo que equivale aproximadamente a 87 800 horas de funcionamiento. Para este tipo de MLCC, esta vida útil se alcanza cuando la temperatura alcanza los 73 °C.
Esta temperatura no es irrealista para el ejemplo de diseño dado, ya que las mediciones térmicas del DC2933A-A muestran que la temperatura e e del circuito integrado del conmutador alcanza un máximo de 83,1 °C, lo que calentará la zona circundante entre unos 10 °C y 20 °C por encima de la temperatura ambiente, por lo que los condensadores situados cerca también se calentarán.
Por lo tanto, se recomienda mantener los MLCC alejados de los componentes calientes para preservar su vida útil aceptable.
Realice mediciones térmicas del circuito real y verifique las temperaturas reales de los condensadores. Esto le proporcionará una estimación más precisa de su vida útil al introducir las temperaturas reales en la fórmula de la ecuación 2.
Los MLCC se calientan por sí mismos debido a las pérdidas internas I2R, donde R es su parámetro ESR interno. Para los condensadores de este ejemplo, el ESR es de 4 mΩ, lo que, para este pequeño tamaño 0603, es un valor muy respetable.
Para mejorar aún más la vida útil, plantéate buscar un componente con un ESR aún menor, teniendo en cuenta que el ESR debe evaluarse a la frecuencia de conmutación del diseño. Ten en cuenta que, por lo general, un ESR menor conlleva un tamaño de encapsulado mayor.
Al buscar en el catálogo de condensadores MLCC del fabricante indicado, se encuentra un condensador de 22 μF, 25 V, 0805, X5R, con número de referencia: GRM21BR61E226ME44, cuyo valor de ESR es de 2 mΩ a 400 kHz, lo que supone la mitad del valor original de los condensadores 0603.
Las figuras 7 y 8 proceden de la herramienta en línea para MLCC Sim-Surfing, aplicada al modelo GRM21BR61E226ME44.

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

Figura 8. Característica de ESR en función de la frecuencia (22 µF, 20 %, 25 V, 0805, X5R).

Un ESR más bajo permite que el condensador gestione mejor la corriente de ondulación rms, lo que se traduce en un menor aumento de temperatura en las mismas condiciones de ondulación. Además, el mayor valor y tamaño también implican un menor efecto de polarización de CC y una mayor capacitancia efectiva, CEFF, lo que hace que, en lugar de 16 componentes (condensadores 0603), solo se necesiten entre seis y ocho componentes en el tamaño 0805.
La elección de condensadores de alta calidad con el ESR más bajo también influirá directamente en la vida útil de los componentes, al reducir el aumento de temperatura provocado por la corriente de ondulación rms. Con la salvedad de que esto solo es cierto si mantenemos la corriente rms por condensador igual que antes.
Por otro lado, el inconveniente de utilizar menos condensadores en un paquete más grande es que su corriente eficaz por componente será mayor. Esto da lugar a un factor aproximado de 2× en la potencia I2R disipada en el interior del MLCC (para aproximadamente el doble de I y la mitad de R, en el ejemplo analizado). La mayor potencia disipada se traduce entonces en temperaturas ligeramente más altas en los MLCC, lo que afecta (negativamente) a su vida útil.
Se recomienda elegir un fabricante de MLCC que respalde sus productos con gráficos de caracterización medidos, preferiblemente a los valores operativos específicos de su aplicación (o cercanos a ellos).
Para los diseñadores de sistemas de potencia, aquí tienen algunas pautas para prolongar la vida útil de los MLCC: limiten el aumento de la temperatura interna del MLCC a menos de ~5 °C por encima de la temperatura ambiente.

Conclusión
En los cálculos, cada parámetro utiliza los valores típicos de cada una de las 16 partes del condensador CFLY; es decir, el cálculo se realiza para el componente ideal.
Sin embargo, la realidad es que cada componente del diseño es único y está sujeto a las tolerancias de sus parámetros.
Además, cada pieza se encuentra en una posición específica de la placa de circuito impreso (PCB), donde la propia PCB tiene sus propios elementos parásitos R, L y C. Todos estos factores hacen que la corriente de ondulación rms total no se distribuya por igual entre cada uno de los 16 condensadores CFLY, sino que varíe.
En este punto, cada diseñador puede introducir su propio coeficiente multiplicador para el caso más desfavorable, basado en su experiencia, a la hora de realizar los cálculos para estimar las variaciones de la parte real. En algunos sectores (o empresas) concretos, estos factores multiplicadores para el caso más desfavorable se especifican en las directrices internas de diseño. Este coeficiente suele situarse entre 1,05 y 3,0, dependiendo del nivel de criticidad del diseño.
Por ejemplo, si se selecciona un coeficiente multiplicador cercano al valor medio, es decir, 2, el peor escenario posible para la tensión de ondulación de corriente eficaz de un solo condensador en nuestro ejemplo sería: 2 × 0,94 A = ~2 A rms.
Esta ondulación rms más elevada (que es solo una estimación) aumentará entonces la temperatura interna hasta aproximadamente 7 °C en lugar de 2 °C (véase la figura 6), lo que provocará que la vida útil estimada se reduzca a aproximadamente 145 000 horas.
Hay que tener en cuenta también que la corriente de ondulación rms más alta tiende a circular por los componentes más cercanos al conmutador, debido a que suelen presentar los efectos parásitos más bajos en el diseño de la placa de circuito impreso, lo que provoca un mayor aumento de temperatura en el interior de dichos componentes. Además del autocalentamiento provocado por la ondulación rms, el propio circuito integrado del conmutador es una importante fuente de calor, por lo que la proximidad a este generador de calor aumentará aún más su temperatura.
En este caso, es esencial realizar un diseño cuidadoso para encontrar un equilibrio entre el rendimiento térmico y el eléctrico y, en última instancia, el rendimiento final del diseño deberá evaluarse en las placas prototipo antes de implementarlas en los sistemas definitivos.
La importancia de una selección cuidadosa de los condensadores del SCC también queda subrayada por una pequeña nota en la lista de componentes de la Tabla 1: «No se permite la sustitución». Esto significa que la selección del componente adecuado para estos no es trivial; los diseñadores deben comprender y cumplir los requisitos específicos de estos condensadores y, sobre todo, tener en cuenta que no todos los condensadores de 10 μF y 25 V disponibles en el mercado pueden cumplir dichos requisitos.

Referencias
1 Herramienta SimSurfing Characteristics Viewer (aplicada al modelo GRM188R61E106MA73). Murata.
2 Jonathan Bock, Will Bachman, Scott Ehlers y Jack Flickert. «Fiabilidad de los MLCC X7R en ensayos de vida útil altamente acelerados con polaridad alterna». IEEE Transactions of Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, n.º 5, mayo de 2024.
3 «¿Existen métodos para estimar la vida útil de un condensador?». Murata.
4 Condensadores cerámicos multicapa en chip para electrónica de consumo y equipos industriales. Murata.

Acerca del autor
Erich Horňan es ingeniero de aplicaciones de campo para productos de potencia. Antes de incorporarse a Analog Devices, trabajó como ingeniero de diseño eléctrico en diversos proyectos de diseño de sistemas de potencia para los sectores aeroespacial, industrial y médico. Posee un máster en Ingeniería Eléctrica con especialización en microelectrónica por la Universidad Técnica de Eslovaquia.