De minuscules condensateurs pour de minuscules appareils IoT - tour d'horizon des nouveautés

Certains des produits à grand volume pour l'IoT seront de très petits appareils, et plus ils seront petits et légers, mieux cela vaudra. Les ordinateurs portables représenteront une grande part de ce marché et les smartphones seront un aspect important de l'infrastructure. Par exemple, le moniteur de fitness portable Jawbone U3 contient plusieurs capteurs dans un seul boîtier. Les capteurs se connectent sans fil avec votre téléphone puis à Internet. Tous ces nœuds IoT ont besoin de condensateurs pour l'accouplement, le découplement et le filtrage. À mesure que la complexité des appareils augmente, le besoin en condensateurs augmente lui aussi. Certains nouveaux smartphones en contiennent aujourd'hui entre 400 et 500. Parallèlement, les concepteurs exigent des composants toujours plus petits pour pouvoir conserver la dimension et le poids des appareils dans des limites acceptables.

Les alimentations électriques dérivées des régulateurs à découpage CC-CC utilisés dans les produits IoT exigent généralement plusieurs condensateurs sur les entrées et les sorties pour fournir un fonctionnement stable et filtrer le bruit électrique. Des valeurs de capacitance jusqu'à 100 µF sont parfois nécessaires, et il est courant qu'un rail d'alimentation exige plusieurs condensateurs de différentes valeurs connectés en parallèle pour assurer un découplement efficace dans une gamme de fréquences. Mais les pièces les plus souvent utilisées sont de petits condensateurs céramique multicouche (MLCC) employés pour l'accouplement et le découplement. Les valeurs type se trouvent dans la fourchette de 1000 pF à 0,1 µF. Les MLCC de quelques pF ou de dizaines de pF sont utilisés pour les filtres haute fréquence, la correction de température et comme condensateurs de charge pour les cristaux piézoélectriques.

 

Figure 1 : Les condensateurs céramique multicouche (MLCC) sont les types de condensateurs les plus courants dans les appareils mobiles et portables à pile. Certains smartphones en contiennent jusqu'à 500.

Et qui fabrique les plus petits condensateurs ? Et bien cela dépend de la technologie concernée. Comme les MLCC sont les composants les plus courants, nous allons nous concentrer sur eux. Le plus grand avantage des MLCC est leur capacitance élevée par volume. L'un de leurs plus gros inconvénients est leur stabilité thermique relativement mauvaise dans certains cas - la capacitance peut beaucoup varier selon la température, en fonction de la formule diélectrique utilisée.

L'autre facteur clé qui touche la capacitance que l'on peut obtenir pour une dimension donnée est la tension de fonctionnement. Une couche diélectrique plus épaisse est nécessaire pour les composants de tension plus élevée, ce qui augmente la taille des composants. Comme les appareils IoT à pile fonctionnent généralement à basse tension, ce n'est pas un problème majeur. La plupart des MLCC ont une tension nominale de 10 V ou plus alors que la plupart des semiconducteurs fonctionnent à 5 V ou moins, même si les convertisseurs Boost sont parfois utilisés pour créer des tensions plus élevées en présence de composants piézoélectriques.

Tous les fabricants de MLCC produisent des composants en utilisant différents diélectriques. Plus le matériau diélectrique est stable, plus la capacitance que l'on peut obtenir pour un volume donné est faible. Le découplement à usage général n'est pas particulièrement crucial en ce qui concerne les valeurs de capacitance, du moment que l'on maintient une valeur minimum sur toute la plage de température opérationnelle. Les diélectriques moins stables sont donc adaptés. Les filtres de fréquences radio et les composants de correction de la température doivent être, quant à eux, très stables. Il existe de nombreuses désignations diélectriques mais les plus courantes sont COG (ou NPO) et X7R. Les pièces COG sont très stables, X7R, X7S et X5R sont stables et les composants Y5V ou Z5U sont à usage général mais ont une capacitance plus élevée par volume.

Les dimensions des condensateurs montés en surface sont exprimées dans la terminologie standard de l'industrie. Les composants 01005 (taille métrique 0402 – 0,4 mm x 0,2 mm) sont les plus petits couramment utilisés dans les appareils mobiles. Il faut être attentif en ce qui concerne la taille car la désignation 0402 est utilisée pour une taille impériale et métrique, la version impériale étant la plus grande - 1,0 mm x 0,5 mm.

RS Components propose un outil de sélection dynamique des produits en ligne vous permettant de trouver le MLCC adapté à votre application en appliquant un filtre allant  jusqu'à 19 paramètres. L'outil de sélection affiche les tailles impériales dans la section Package/Case.

Classés dans l'ordre du nombre de pièces différentes stockées, nous proposons des MLCC des marques suivantes :

Murata
AVX

Kemet

Samsung Electromechanics

TDK

Vishay

Syfer Technology

Yageo
Phycomp

Taiyo Yuden
Cornell-Dubilier

 

Dans la gamme Murata, la capacitance maximale en stock est 47 µF dans un format 1210 avec diélectrique X7R. Des valeurs jusqu'à 100 nF sont disponibles en diélectrique COG et format 1206. Également en COG, des condensateurs ayant des valeurs jusqu'à 1000 pF peuvent être fournis en format 0402, et un composant COG 100 pF est proposé dans un minuscule format 0201 (0603 en taille métrique) qui mesure seulement 0,6 mm x 0,3 mm.