Mantendo a integridade de energia uma prioridade com o capacitor certo

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Recentemente, a NVIDIA encontrou problemas de integridade de energia (PI) em suas mais novas placas de vídeo adicionais (AICs), que estavam causando comportamentos aberrantes, como travamentos em PCs desktop.

De acordo com o TechPowerUP, a causa raiz desses problemas parece ser uma variação na seleção dos capacitores que suportam a rede de energia. Vários fornecedores com designs de hardware exclusivos são responsáveis ​​pela linha RTX da NVIDIA.

Essa falha fundamental é um testemunho do lugar supremo e contínuo de alguns dos componentes mais básicos do projeto de circuitos. Neste artigo, revisaremos a importância da integridade de energia no projeto de alta velocidade, parâmetros para escolher o capacitor certo e capacitores recentes no mercado que amenizam a escassez de passivos na cadeia de abastecimento.

Integridade de energia: uma peça central em design de alta velocidade

A integridade da energia envolve fundamentalmente a manutenção de uma especificação de voltagem, que é distribuída para os trilhos de energia (VDD / VSS) de um dispositivo de carga sob mudanças nas demandas de corrente.

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A rede de distribuição de energia (PDN) compreende um módulo regulador de tensão, resistências e indutâncias de capacitores do mundo real (ou seja, com parâmetros parasitas inerentes) e outros elementos de PCB. Os elementos do PDN são dependentes da frequência e devem ser levados em consideração durante o projeto.

Componentes de um PDN e a impedância de carga real do sistema (azul) em relação a uma impedância alvo de 10 mΩ independente de frequência (vermelho). Imagem usada cortesia de Larry Smith e Eric Bogatin Design Con 2018

Os sistemas digitais são impulsos de onda quadrada nominalmente comutados de um tempo de subida rápido, mas finito. De acordo com Diário de Integridade de Sinal, a largura de banda de um pulso digital é de aproximadamente 0,35 / tempo de subida (ns). As frequências mais altas desses impulsos afetam a impedância total do PDN.

Os capacitores têm uma impedância mais baixa com o aumento da frequência e neutralizam o aumento indutivo da impedância, o que contribui para a manutenção de trilhos de tensão estáveis.

Istvan Novak, um especialista em PI que falou com Judy Warner do podcast Altium OnTrack em julho, discutiu como os engenheiros estão enfrentando crescentes problemas de integridade de energia e como a integridade de energia está se tornando o principal problema no design de alta velocidade.

Os problemas recentes com os fabricantes de AICs da NVIDIA parecem ecoar as preocupações de Istvan sobre “a integridade da energia sendo uma reflexão tardia”.

Principais especificações para seleção de capacitores

Quer o seu projeto inclua capacitores para fornecer um bloco DC para um rádio de carro ou para considerações de integridade de energia, existem muitos parâmetros-chave que afetam a seleção do capacitor, incluindo:

  • Capacidade (medida em sub-farads) refletindo a energia total disponível
  • Estabilidade de parâmetro em toda a faixa de operação térmica
  • Tamanho do pacote, que afeta muitos dos elementos parasitas dos capacitores do mundo real (auto-indutância e resistências)
  • Redução do capacitor, o que reduz a capacidade efetiva dos capacitores MLCC na presença de polarização DC
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Além disso, o número e o tipo de capacitores necessários para otimizar um PDN é uma decisão importante de projeto.

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New Yorker Electronics, TDK e KEMET anunciam novos capacitores

Os seguintes fabricantes estão fornecendo uma ampla variedade de capacitores para atender às necessidades dos projetistas.

A New Yorker Electronics relatou recentemente o lançamento do Exxelia, uma nova família de capacitores reforçados voltados para as indústrias aeroespacial, militar e de óleo / gás. Esses novos capacitores de filme (com capacidades de 0,22 uF a 1,0 uF) apresentam limites de manipulação de tensões de até 800 V e temperaturas que variam de –55,0 ℃ a + 200 ℃, tornando-os uma opção útil para ambientes operacionais agressivos.

Capacitores endurecidos Exxelia

Capacitores endurecidos Exxelia. Imagem (modificada) usada cortesia da New Yorker Electronics

A TDK também anunciou uma nova série de pacotes de capacitores de cerâmica multicamadas (MLCC) 1206 (3216 no sistema métrico) e 0805 (2012 no sistema métrico), que apresentam capacidades de 22 uF. Diz-se que esses dispositivos atendem aos padrões de teste de estresse de alta confiabilidade dos padrões automotivos AEC-Q200 em fatores de forma que fornecem uma relação competitiva de capacitância para densidade de placa.

Novos capacitores 22uF

A TDK fornece um exemplo do tamanho físico para seus novos capacitores de 22 uF. Imagem usada cortesia de TDK

Finalmente, a KEMET revelou os novos capacitores da série R52, que a empresa afirma ter volumes 60% menores do que os atuais capacitores de filme X2 no mercado.

As várias séries de capacitores de segurança

As várias séries de capacitores de segurança oferecidos pela KEMET. Imagem usada cortesia de KEMET

Os capacitores X2 são uma classe de capacitores de segurança, que unem as conexões linha a linha, proporcionando estabilidade de tensão na presença de mudanças nas condições de carga. Eles são projetados para operar em ambientes nos quais as rígidas questões de segurança devem ser atendidas. Uma visão geral desses capacitores foi o recurso de um resumo técnico da AAC sobre capacitores Classe-X e Classe-Y.

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Além da redução no tamanho, os capacitores de segurança KEMET X2 apresentam um grande valor de capacitância para seu tamanho de pacote (22 uF) e são aplicáveis ​​para condições de longa vida em ambientes hostis. De acordo com a KEMET, eles abordam “desafios de tamanho, capacitância e confiabilidade para engenheiros de projeto em vários setores”.

A crescente demanda por capacitores

Graham Scott, vice-presidente de compras da Jabil, escreve que, atualmente, “muitos fornecedores estão cotando prazos de entrega de 20-30 semanas para capacitores MLCC”. No entanto, esses novos anúncios indicam que a seca em curso na cadeia de suprimentos dos passivos pode estar terminando.

Capacitores são um tema importante em 2020, conforme os fabricantes lançam novos passivos que operam em condições adversas, nas quais calor e frio extremos testarão a durabilidade dos sistemas eletrônicos. A melhoria contínua das capacidades do MLCC também significa que mais capacitância pode ser compactada em um espaço menor na placa de circuito impresso, fornecendo confiabilidade adicional do sistema.

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