Cảm biến Internet of Things (IoT) chạy bằng pin được thiết kế để thu thập dữ liệu và truyền thông tin trong khi tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể. Các ví dụ phổ biến bao gồm cảm biến nhiệt độ, màn hình môi trường, thiết bị theo dõi tài sản, cảm biến cửa không dây và thiết bị giám sát công nghiệp từ xa.

Nhiều sản phẩm trong số này dành phần lớn thời gian ở trạng thái ngủ ở mức năng lượng thấp và thức dậy định kỳ để đo dữ liệu hoặc liên lạc không dây. Trong quá trình chuyển đổi này, nguồn điện có thể gặp những thay đổi đột ngột về nhu cầu hiện tại.

Tụ gốm nhiều lớp (MLCC) giúp ổn định đường ray điện cục bộ, lọc nhiễu điện và hỗ trợ hoạt động đáng tin cậy của cảm biến. Tuy nhiên, việc lựa chọn tụ điện phù hợp đòi hỏi phải chú ý nhiều hơn đến điện dung danh định.

Đối với các kỹ sư và người mua thiết bị điện tử, thách thức chính là tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa hiệu suất điện, không gian PCB, mức tiêu thụ điện và độ tin cậy lâu dài.

1. Tại sao MLCC lại quan trọng trong các thiết bị IoT chạy bằng pin

Một cảm biến chạy bằng pin thông thường có thể chứa bộ vi điều khiển, bộ phận cảm biến, mô-đun giao tiếp không dây, mạch quản lý nguồn và một hoặc nhiều bộ điều chỉnh điện áp.

Mỗi khối mạch có thể có những yêu cầu về tụ điện khác nhau.

MLCC thường được sử dụng cho:

• Tách nguồn điện: Giúp duy trì điện áp ổn định gần các chân nguồn của mạch tích hợp.
• Hỗ trợ hiện tại nhất thời: Cung cấp phí địa phương trong thời gian ngắn khi nhu cầu hiện tại tăng lên.
• Lọc tín hiệu cảm biến: Giúp lọc nhiễu không mong muốn trong các mạch analog phù hợp.
• Hỗ trợ bộ điều chỉnh điện áp: Phục vụ như tụ điện đầu vào hoặc đầu ra khi được thiết kế bộ điều chỉnh cho phép.
• Bỏ qua tần số cao: Cung cấp đường dẫn cục bộ cho dòng điện tần số cao.

Sự phù hợp của tụ điện phụ thuộc vào vị trí của nó trong mạch. Tụ điện được sử dụng gần mô-đun không dây có thể có các yêu cầu khác với tụ điện được sử dụng trong mạch cảm biến nhiệt độ chính xác.

Hiểu được mục đích của từng tụ điện giúp các kỹ sư tránh được điện dung không cần thiết, lựa chọn chất điện môi không phù hợp và vị trí đặt PCB không hiệu quả.

2. Ổn định nguồn điện trong quá trình truyền không dây

Truyền thông không dây có thể tạo ra những thay đổi đột ngột trong mức tiêu thụ hiện tại. Một thiết bị thường tiêu thụ rất ít dòng điện trong khi ngủ có thể cần nhiều dòng điện hơn đáng kể khi sóng vô tuyến của nó truyền dữ liệu.

Nếu mạng lưới phân phối điện không thể đáp ứng đầy đủ, điện áp nguồn có thể tạm thời giảm. Tùy thuộc vào mạch, điều này có thể gây ra lỗi giao tiếp, đặt lại cảm biến hoặc khởi động lại bộ vi điều khiển không mong muốn.

Một MLCC được đặt gần các chân nguồn liên quan có thể giúp cung cấp dòng điện trong thời gian ngắn và giảm nhiễu điện áp cục bộ.

Tuy nhiên, không thể xác định được điện dung yêu cầu chỉ từ dòng điện trung bình của mô-đun không dây.

Các kỹ sư nên xem xét:

• Dòng điện cực đại trong quá trình truyền
• Thời lượng và tần suất của các xung dòng điện
• Biến đổi điện áp cung cấp được phép
• Điện trở trong của pin
• Phản ứng điều chỉnh điện áp
• Dấu vết PCB và thông qua trở kháng
• Điện dung có sẵn dưới điện áp hoạt động

Mạng lưới điện hoàn chỉnh phải được đánh giá. Một tụ điện lớn hơn có thể cải thiện một số điều kiện nhất thời, nhưng nó không thể tự động bù đắp cho pin có kích thước nhỏ, điện trở dây quá cao hoặc bộ điều chỉnh không phù hợp.

3. Chọn điện dung để hoạt động ở mức năng lượng thấp

Trong các thiết kế chạy bằng pin, mọi thành phần phải hỗ trợ ngân sách năng lượng của sản phẩm mà không ảnh hưởng đến hiệu suất cần thiết.

MLCC là thành phần thụ động và không tiêu thụ điện năng giống như mạch hoạt động. Tuy nhiên, đặc tính của tụ điện có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, đặc biệt khi tụ điện được sử dụng trong các mạch định thời, cảm biến, lọc hoặc điều chỉnh.

Tránh lựa chọn chỉ bằng điện dung danh nghĩa

MLCC loại II, chẳng hạn như X7R và X5R, cung cấp điện dung cao trong các gói tương đối nhỏ. Điện dung hiệu dụng của chúng có thể giảm theo độ lệch DC và thay đổi theo nhiệt độ.

Nếu thiết kế yêu cầu điện dung tối thiểu để hỗ trợ tải nhất thời, các kỹ sư nên kiểm tra dữ liệu điện dung so với điện áp của nhà sản xuất.

Kiểm tra các yêu cầu điều chỉnh

Một số bộ điều chỉnh điện áp chỉ định phạm vi điện dung đầu vào và đầu ra cụ thể, điều kiện ESR hoặc loại tụ điện để hoạt động ổn định.

Việc sử dụng MLCC nằm ngoài những yêu cầu đó có thể gây ra gợn sóng hoặc mất ổn định quá mức.

Trước khi thay tụ điện được khuyến nghị của bộ điều chỉnh, hãy xác nhận rằng tụ điện thay thế đáp ứng các thông số kỹ thuật liên quan và kiểm tra toàn bộ mạch điện.

Xem xét hồ sơ tải thực tế

Cảm biến hoạt động vài phút một lần có thể có các yêu cầu về năng lượng khác với thiết bị theo dõi không dây truyền tín hiệu thường xuyên.

Lập mô hình chu trình vận hành thực tế, bao gồm khởi động, đo lường, xử lý dữ liệu, giao tiếp và ngủ. Sau đó xác nhận mạng tụ điện trong điều kiện đại diện.

Mục tiêu không phải là tối đa hóa điện dung. Nó nhằm cung cấp đủ điện dung hiệu quả để hoạt động đáng tin cậy đồng thời đáp ứng các yêu cầu về kích thước và chi phí của sản phẩm.

4. Bảo vệ độ chính xác của cảm biến khỏi nhiễu điện

Nhiều sản phẩm IoT đo lường những thay đổi nhỏ về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng hoặc các đại lượng vật lý khác. Nhiễu trên đường ray cung cấp hoặc đường tín hiệu tương tự có thể ảnh hưởng đến chất lượng đo.

MLCC có thể hỗ trợ lọc và tách riêng, nhưng cách tiếp cận đúng phụ thuộc vào kiến ​​trúc cảm biến.

Tách nguồn điện riêng khỏi lọc tín hiệu

Tụ điện tách nguồn giúp ổn định nguồn cung cấp gần mạch tích hợp. Tụ lọc tín hiệu tạo thành một phần của bộ lọc tương tự hoặc kỹ thuật số cụ thể.

Các thành phần này có thể có các yêu cầu khác nhau về dung sai điện dung, độ ổn định điện môi và đáp ứng tần số.

Đối với các chức năng lọc hoặc định thời chính xác, MLCC C0G/NP0 có thể phù hợp vì chúng mang lại độ ổn định điện dung tuyệt vời và tổn thất điện môi thấp. Chúng thường cung cấp ít điện dung trên mỗi kích thước gói hơn so với chất điện môi Loại II.

Đối với việc tách nguồn thông thường, các bộ phận X7R hoặc X5R có thể phù hợp nếu đặc tính điện dung và nhiệt độ hiệu dụng của chúng đáp ứng các yêu cầu thiết kế.

Xem lại đường dẫn đo hoàn chỉnh

Một tụ điện ổn định không đảm bảo việc đọc cảm biến chính xác. Độ chính xác cũng phụ thuộc vào chính cảm biến, điện áp tham chiếu, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi tương tự sang số, bố cục PCB, nối đất và phương pháp xử lý tín hiệu.

Các kỹ sư nên kiểm tra hiệu suất đo khi sóng vô tuyến không dây hoạt động và không hoạt động, đặc biệt nếu cả hai chức năng đều dùng chung nguồn điện.

5. Kích thước gói hàng và bố cục PCB

Cảm biến IoT thường nhỏ gọn, có không gian hạn chế cho pin, ăng-ten, đầu nối và vỏ. Các gói MLCC nhỏ có thể giúp giảm diện tích PCB.

Kích thước gói phổ biến bao gồm 0201, 0402, 0603 và 0805. Gói thích hợp phụ thuộc vào điện dung, định mức điện áp, hiệu suất điện, khả năng lắp ráp và điều kiện cơ học.

Một gói nhỏ hơn không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất.

Ví dụ, MLCC nhỏ gọn có thể không cung cấp đủ điện dung hiệu dụng ở điện áp hoạt động. Trong các trường hợp khác, bộ phận lớn hơn có thể phù hợp hơn do yêu cầu về công suất điện hoặc hạn chế về sản xuất.

Thực hành bố cục tốt bao gồm:

• Đặt các tụ điện tách gần với các chân nguồn mà chúng phục vụ.
• Giữ đường dẫn cung cấp và trả lại ngắn.
• Thực hiện theo cách bố trí được đề xuất của nhà sản xuất bộ điều chỉnh.
• Giữ các mạch analog nhạy cảm tránh xa các nút chuyển mạch ồn ào nếu có thể.
• Tránh đặt tụ gốm ở những vị trí có bo mạch bị uốn cong quá mức hoặc chịu áp lực cơ học.

Trong các sản phẩm không dây, bố cục PCB cũng phải tính đến các yêu cầu về vị trí đặt ăng-ten và thiết kế tần số vô tuyến. Các tụ điện nên được bố trí theo thiết kế mạch điện thay vì lắp đặt bừa bãi xung quanh ăng-ten hoặc đường dẫn tín hiệu.

6. Nhiệt độ, độ ẩm và độ tin cậy lâu dài

Các thiết bị IoT chạy bằng pin có thể được lắp đặt ngoài trời, bên trong thiết bị công nghiệp, trong nhà kho hoặc ở những vị trí khó tiếp cận để bảo trì.

Môi trường hoạt động sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn thành phần.

Phạm vi nhiệt độ

Kiểm tra nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ bo mạch dự kiến, bao gồm cả khả năng tiếp xúc với các nguồn nhiệt gần đó và vỏ bọc của sản phẩm.

Tụ điện X7R và X5R có phạm vi nhiệt độ xác định khác nhau. Xác nhận rằng chất điện môi đã chọn phù hợp với môi trường hoạt động thực tế.

Ứng suất cơ học

MLCC có thân gốm giòn. Độ uốn của PCB trong quá trình lắp ráp, lắp đặt vỏ bọc hoặc sử dụng tại hiện trường có thể góp phần gây ra vết nứt.

Vị trí thành phần, hỗ trợ PCB, quy trình xử lý và thiết kế lắp ráp có thể giúp giảm thiểu rủi ro.

Tiếp xúc với môi trường

Môi trường ẩm ướt, ngưng tụ, bụi và ăn mòn có thể ảnh hưởng đến toàn bộ tổ hợp điện tử. Cần cân nhắc thiết kế vỏ bọc phù hợp và các phương pháp bảo vệ khi sản phẩm được sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt.

Kỳ vọng bảo trì

Cảm biến từ xa có thể hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay pin hoặc kiểm tra vật lý.

Do đó, một thiết kế đáng tin cậy phải được thử nghiệm trong các điều kiện nhiệt độ, điện áp, tải và môi trường đại diện. Lựa chọn tụ điện là một phần của quy trình này, không phải là sự thay thế cho việc xác nhận độ tin cậy ở cấp hệ thống.

7. Danh sách kiểm tra lựa chọn MLCC thực tế

Trước khi chọn MLCC cho cảm biến IoT chạy bằng pin, hãy xem xét những điều sau:

1. Nêu chức năng của từng tụ điện trong mạch.
2. Xác định điện áp hoạt động tối đa và các quá độ liên quan.
3. Kiểm tra điện dung hiệu dụng theo độ lệch DC.
4. Xác nhận đặc tính nhiệt độ của chất điện môi.
5. Xem lại dòng tải đỉnh và sự thay đổi điện áp dự kiến.
6. Xác minh các yêu cầu về tụ điện đầu vào và đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp.
7. Kiểm tra các đặc tính dung sai và tần số cho các mạch chính xác.
8. Chọn gói đáp ứng cả yêu cầu về điện và lắp ráp.
9. Xem lại bố cục PCB, ứng suất cơ học và mức độ tiếp xúc với môi trường.
10. Kiểm tra quá trình chuyển đổi từ ngủ sang hoạt động, truyền không dây và độ chính xác của cảm biến.

Đối với các nhóm tìm nguồn cung ứng, số bộ phận chính xác của nhà sản xuất là điểm khởi đầu tốt nhất. Nếu thiết kế vẫn đang được phát triển, hãy cung cấp điện dung, định mức điện áp, dung sai, chất điện môi, kích thước gói, số lượng và điều kiện vận hành khi yêu cầu các tùy chọn thành phần.

Câu hỏi thường gặp

Loại MLCC nào là tốt nhất cho cảm biến IoT chạy bằng pin?

Không có loại tốt nhất phổ quát. MLCC X7R và X5R thường được xem xét để tách nguồn, trong khi C0G/NP0 có thể phù hợp để lọc và định thời chính xác. Sự lựa chọn cuối cùng phụ thuộc vào yêu cầu mạch.

MLCC có thể cải thiện tuổi thọ pin không?

MLCC có thể hỗ trợ cung cấp năng lượng ổn định và vận hành mạch đáng tin cậy, nhưng nó không tự động kéo dài tuổi thọ pin. Tuổi thọ pin phụ thuộc vào tổng mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống, bao gồm bộ xử lý, radio, cảm biến, bộ điều chỉnh và lịch trình vận hành.

Tại sao cảm biến không dây khởi động lại trong khi truyền?

Các nguyên nhân có thể bao gồm sụt điện áp nguồn, trở kháng pin, hạn chế của bộ điều chỉnh, điện dung hiệu dụng không đủ hoặc sự cố bố trí PCB. Đo đường ray cung cấp trong quá trình truyền tải để xác định vấn đề cơ bản.

Tôi có nên sử dụng tụ điện lớn nhất hiện có?

Không nhất thiết phải như vậy. Nhiều điện dung hơn có thể làm tăng chi phí và diện tích bo mạch, đồng thời có thể ảnh hưởng đến quá trình khởi động hoặc độ ổn định của bộ điều chỉnh. Chọn giá trị dựa trên đặc tính tải thực tế và yêu cầu của mạch điện.

Tôi nên cung cấp thông tin gì khi tìm nguồn cung ứng MLCC cho các sản phẩm IoT?

Cung cấp số bộ phận của nhà sản xuất nếu có. Nếu không, hãy bao gồm điện dung, dung sai, điện áp định mức, chất điện môi, kích thước gói hàng, số lượng, phạm vi nhiệt độ và mọi yêu cầu về độ tin cậy đặc biệt.

Phần kết luận

MLCC giúp các cảm biến IoT chạy bằng pin duy trì nguồn điện ổn định, giảm tiếng ồn điện không mong muốn và hỗ trợ hoạt động đáng tin cậy trong quá trình thay đổi tải. Lựa chọn hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết rõ ràng về chức năng mạch, đặc điểm sai lệch DC, điều kiện nhiệt độ, bố trí PCB và hồ sơ tiêu thụ điện năng.

Đối với các kỹ sư đang phát triển cảm biến không dây nhỏ gọn, việc xác nhận mạng điện hoàn chỉnh sẽ hữu ích hơn việc chọn tụ điện chỉ dựa trên điện dung danh nghĩa.

Nếu bạn đang tìm nguồn cung ứng MLCC cho cảm biến IoT, thiết bị giám sát không dây hoặc các thiết bị điện tử công suất thấp khác, hãy truy cập Barron MLCC tại //www.barronmlcc.com/ để xem thông tin sản phẩm. Chia sẻ thông số kỹ thuật cần thiết và số lượng mục tiêu của bạn với nhóm để thảo luận về các lựa chọn tìm nguồn cung ứng.