Os benefícios dos Capacitores Ultra Flat Bulk para Dispositivos Eletrônicos Compactos

capacitores

Introdução

O rápido desenvolvimento da tecnologia de computadores portáteis e de sistemas eletrônicos contribuiu para o aumento exponencial dos dados móveis e do tráfego global de dados. As funções de dispositivos digitais como tablet PCs, dispositivos POS (ponto de venda) e smartphones tornaram-se mais diversificadas, com um aumento correspondente no desempenho. Dispositivos portáteis exigem um número maior de funções, juntamente com maior poder de computação que deve ser condensado em seu envólucro compacto e ultrafino. A tendência implacável para sistemas mega funcionais, ultraminiaturizados e de alto desempenho estimulou a necessidade de materiais mais novos e superiores, levando a componentes de baixo perfil, interconexões finas e substratos de interconexão de alta densidade. Este artigo fornece uma visão geral dos desafios e soluções que os engenheiros podem encontrar ao projetar dispositivos eletrônicos compactos. Também discorre sobre os benefícios do uso de capacitores Ultra Flat Bulk em dispositivos eletrônicos compactos.

Os desafios de projetar dispositivos portáveis e ultrafinos

Dispositivos eletrônicos portáteis têm muitos usos, abrangendo saúde, militar, instrumentação, segurança, operações de campo e outros setores. Requisitos rigorosos acompanham os dispositivos portáteis contemporâneos no contexto de tamanho, peso e potência. Esses três fatores, individualmente ou em conjunto, podem tornar o projeto um desafio para dispositivos prontos para encarar o campo. Os projetistas devem se concentrar em utilizar componentes eletrônicos compactos, peças específicas e selecionar corretamente os recursos; eles também devem usar um gerenciamento de hardware cuidadoso e escolher componentes eletrônicos com baixo consumo de energia. A seleção correta reduz a quantidade de PCB e o número de itens nas listas de materiais (BOM).

Os sistemas megafuncionais sofrem com o fornecimento de energia e gargalos de gerenciamento, pois os componentes de armazenamento de energia não conseguem diminuir em conjunto com os outros componentes do sistema, resultando em módulos de energia independentes e volumosos. Entre todos os componentes de energia, os capacitores de filme fino apresentam desafios máximos de integração, devido a várias preocupações de fabricação. Os capacitores eletrolíticos de alumínio continuam sendo um baluarte nos circuitos eletrônicos de potência, devido à sua capacidade de oferecer maior armazenamento a granel, alta densidade de energia e alta tensão. No entanto, em um número crescente de aplicações, sua altura ou perfil integrado limita sua funcionalidade. Os capacitores geralmente estão entre os componentes mais altos em uma placa de circuito impresso (PCB). A introdução de capacitores de montagem em superfície (SMT), abrangendo várias tecnologias dielétricas, ajudou a diminuir a altura da placa montada. Vários capacitores devem ser colocados no PCB para obter alta capacitância ou tensão usando SMTs. Tal abordagem, infelizmente, consome bastante espaço na placa, particularmente em aplicações de alta capacitância. Os capacitores eletrolíticos de alumínio ultraplanos economizam espaço na placa de circuito e, assim, resolvem esse problema. Esses capacitores substituem grandes matrizes de capacitores SMT.

Série de Capacitores Ultra-low-profile (ULP) e Electrolítico-Aluminio

Para enfrentar os desafios do perfil de baixa altura, redução da área ocupada da placa de circuito, longa vida útil e confiabilidade aprimorada do sistema, a Cornell Dubilier Electronics (CDE) desenvolveu uma família de capacitores eletrolíticos de alumínio de perfil ultrabaixo (ULP), conforme mostrado abaixo na Figura 1. Eles podem substituir grandes conjuntos de capacitores de tântalo sólido SMT. A série ULP é projetada especificamente para aplicações que exigem capacitância em massa e perfis de placa mais baixos, e oferece densidade de energia consideravelmente maior do que matrizes de capacitores SMT. Esse design permite que os engenheiros usem um único componente para economizar espaço, peso e custo, além de melhorar a confiabilidade. Com densidade de energia superior a 0,4 J/cc, um único capacitor ULP fornece armazenamento em massa muito maior em um espaço menor do que um banco de capacitores SMT de baixo perfil. Os valores de capacitância variam de 500 µF a 24.000 µF. As tensões de trabalho variam de 4 a 63 WVDC, com vida útil de 3.000 horas a 85°C sem redução de tensão.

Ao contrário dos capacitores de tântalo sólido, os capacitores ULP não requerem redução de tensão. O conceito de embalagem ultrafina permite uma concentração muito mais densa de folha e eletrólito, bem como maior densidade de capacitância devido às folhas de alto ganho e um sistema exclusivo de embalagem e vedação. A vedação primária é um polímero selado a quente sem juntas de borracha ou ilhós, e esta vedação primária é quase hermética. Para uma vida útil mais longa, um invólucro de metal externo também é vedado e fornece uma camada de proteção física. Eles têm uma construção robusta, com uma classificação de vibração de 10g, uma caixa selada, com processo automaticado, de níquel-prata soldada a laser, compatível com REACH/RoHS e leve. A família ULP é oferecida em alturas de encapsulamento de 2,2 mm e 3,2 mm. Com terminações planas estilo cabo de fita, é possível montar o dispositivo fora da placa para maior flexibilidade de projeto.

Figura 1: Capacitores eletrolíticos de alumínio de perfil ultrabaixo (ULP – Ultra-low-profile) (Fonte da imagem: CDE)

Aplicações para Capacitores Ultra Flat Bulk

Os capacitores eletrolíticos de alumínio leves ultra-flat da série ULP são ideais para uso em dispositivos portáteis e são adequados para uma ampla gama de aplicações onde o perfil de altura, espaço da placa, peso e confiabilidade são fatores críticos de projeto. Exemplos de tais aplicações incluem armazenamento em massa em dispositivos portáteis, unidades de disco, instrumentos portáteis, monitores médicos, dispositivos de monitoramento remoto de IoT, fontes de alimentação compactas, drones e veículos pilotados remotamente (RPVs), monitores de vídeo e monitores.

Conforme mencionado no parágrafo anterior, os capacitores de filme fino são difíceis de integrar devido a várias preocupações de fabricação. A maioria das tecnologias dielétricas usa tecnologia multicamada para realizar pacotes de chips SMT de baixo perfil, e capacitores de montagem em superfície (SMT) abrangendo várias tecnologias dielétricas estão sendo introduzidos. Os eletrolíticos de alumínio convencionais utilizam elementos de capacitor enrolados dentro de seus pacotes SMT. Esses enrolamentos cilíndricos são encaixados em recipientes cilíndricos de metal e depois montados verticalmente em almofadas de montagem retangulares. Assim, os eletrolíticos de alumínio SMT são conhecidos como V-chips, abreviação de chips verticais. Esses pacotes cilíndricos contêm um eletrólito líquido que deve ser vedado por vedações compostas ou de borracha para evitar vazamentos de eletrólitos. Para dispositivos SMT, esse projeto sofre de uma falha séria, pois o capacitor ocupa uma porção anormalmente grande de todo o volume do encapsulamento. Um eletrolítico de alumínio SMT típico desperdiça até 60% do volume do capacitor devido a materiais como juntas de vedação que desperdiçam espaço.

Figura 2: Um capacitor eletrolítico de alumínio da série ULP (Fonte da imagem: CDE)

Conforme ilustrado na Figura 2, os projetistas podem usar capacitores eletrolíticos de alumínio da série ULP para armazenar as grandes quantidades de energia necessárias para operação em baixa temperatura, com menos componentes em comparação com abordagens alternativas. Tal avanço é alcançado com a substituição de vedações flexíveis que consomem espaço pelos novos capacitores eletrolíticos de alumínio da série ULP, completos com embalagem resistente a vibrações. Essas configurações permitem que os engenheiros obtenham melhor confiabilidade enquanto economizam espaço, peso e vida útil, além de reduzir o custo da placa montada.

Conclusão

Neste artigo, “Os benefícios dos Capacitores Ultra Flat Bulk para Dispositivos Eletrônicos Compactos”, discutimos o uso de capacitores ultra flat. O artigo fornece uma visão geral dos desafios e soluções que os engenheiros podem encontrar ao projetar dispositivos eletrônicos compactos. Também discorre sobre os benefícios do uso de capacitores Ultra Flat Bulk em dispositivos eletrônicos compactos.

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* Texto originalmente publicado em: link

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