DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Že pred začetkom uvajanja leta 2018 so komunikacijski protokoli mobilne radijske frekvence (RF) 5. generacije (5G) obljubljali izboljšave v velikem obsegu na področju pošiljanja in prejemanja podatkov s strani posameznih uporabnikov, industrijskih strojev in strežnikov za računalništvo v oblaku.
Standard 5G, ki ga je določil projekt 3rd Generation Partnership Project (3GPP) v skladu z zahtevami International Mobile Telecommunications-2020 (IMT-2020), zahteva hitrost prenosa podatkov do 10 Gbps, kar je 10- do 100-krat hitreje od prejšnjih standardov 4G. Zahteva tudi tisočkrat večjo pasovno širino na enoto površine, kar omogoča do 100-krat več naprav za povezavo na tej površini v primerjavi s protokoli 4G LTE. Hkrati vztrajajo na 99,999-odstotni razpoložljivosti omrežja in nižji porabi energije za omrežne bazne postaje in povezane naprave.
Do sredine leta 2025 je bilo po vsem svetu več kot 2,25 milijarde 5G povezav, od tega več kot 182 milijonov v Severni Ameriki. Arhitekti omrežij prehajajo na samostojno (angl. standalone: SA) opremo, ki podpira samo 5G frekvence in protokole, ponuja hitrejše hitrosti nalaganja in prenosa ter podpira napredno industrijsko internetno povezovanje stvari (IIoT) in komunikacijo med stroji (M2M) z latenco omrežja, ki je nižja od 1 ms.
Razvoj nove opreme za izgradnjo infrastrukture 5G je povečal povpraševanje po vseh vrstah elektronskih komponent, vključno s povsod prisotnimi kondenzatorji. V aplikacijah 5G kondenzatorji med drugim filtrirajo neželene frekvence in dušijo RF motnje, se povezujejo s tuljavami za prilagoditev anten, ločujejo napajalne vodnike za stabilizacijo napetosti in balansirajo antenske povezave. Inženirji, ki načrtujejo naprave in mobilne bazne postaje, združljive s 5G, morajo izbrati kondenzatorje, ki izpolnjujejo zahteve glede zmogljivosti, velikosti in cene za vsako aplikacijo.
Kondenzatorji za 5G antene
Antene za 5G infrastrukturo podpirajo tri pasove v višjem RF območju: nizki pas pod 2 GHz, srednji pas od 2 GHz do 6 GHz in visoki pas od 24 GHz do 100 GHz. Večplastni keramični kondenzatorji (MLCC) se v kombinaciji s tuljavami uporabljajo za izdelavo oscilatorjev, ki se lahko nastavijo na določene radijske frekvence. Kondenzatorji za infrastrukturo 5G morajo biti sposobni prenesti višje frekvence protokola (slika 1).
Ena takšnih kondenzatorskih linij je serija HiQ-CBR [1] (slika 2) proizvajalca KEMET [2]. Kondenzatorji te serije imajo kapacitivnosti od 0,1 pF do 100 pF in so zasnovani za dolgotrajno delovanje pri frekvencah od 1 MHz do 50 GHz brez pregrevanja ali izgube kapacitivnih lastnosti. Ker kondenzatorji HiQ-CBR uporabljajo dielektrik razreda I, lahko delujejo pri temperaturah od -55 °C do +125 °C s spremembami kapacitivnosti manj kot ±30 ppm/°C. Delovanje kondenzatorja je stabilno tudi v območju enosmernih napetosti od 6,3 V do 500 V in se s časom ne stara.
HiQ-CBR kondenzatorji (slika 3) so sestavljeni iz več plasti elektrod iz osnovnega kovinskega materiala – v tem primeru bakra, ločenih in vgrajenih v keramiko. V tem primeru CaZrO3, dielektrik razreda I, C0G. Kovinski pokrovi zagotavljajo električno povezavo z elektrodami in olajšujejo spajkanje te komponente za površinsko montažo (SMD) na tiskano vezje (PCB).
Materiali in konstrukcija kondenzatorjev HiQ-CBR jim zagotavljajo nizke izgube, kar je označeno s kakovostnim faktorjem Q, ki je obratna vrednost faktorja disipacije (DF). HiQ-CBR kondenzatorji s kapacitivnostjo 30 pF ali več imajo Q večji ali enak 1000, ko so testirani pri 1 MHz ±100 kHz in 1,0 ±0,2 VRMS. Za kondenzatorje v tej produktni liniji z manjšo kapacitivnostjo velja Q = 400 + 20C, kjer je C vrednost kapacitivnosti.
Inženirji, ki razvijajo elektroniko za visokofrekvenčne RF aplikacije, iščejo tudi kondenzatorje z nizko ekvivalentno serijsko upornostjo (ESR) in nizko ekvivalentno serijsko induktivnostjo (ESL), ki prispevajo k visoki lastni resonančni frekvenci (SRF). SRF je frekvenca, pri kateri resonanca v kondenzatorju povzroči izgubo njegove kapacitivnosti in deluje kot tuljava, zato mora biti SRF precej nad delovno frekvenco. Kondenzatorji HiQ-CBR imajo SRF v razponu od 600 MHz za kondenzatorje 100 pF do 12.000 MHz za kondenzatorje 0,1 pF.
Da bi zmanjšali motnje in šum signala, lahko projektanti dodajo izdelek, kot je KEMET-ov FLEX SUPPRESSOR® za Wi-Fi pas in 5G [3 [. Ta polimerno-kovinski kompozit v obliki plošče ali zvitka (slika 4) vsebuje mikronski magnetni prah, razpršen po fleksibilni polimerni podlagi, ki duši elektromagnetne valove ali resonanco, izboljša konvergenco magnetnega pretoka ali zmanjša šum, ki ga ustvarjajo elektronske naprave na frekvencah v 5G pasovih, od 3 GHz do 40 GHz.
HiQ-CBR kondenzatorji so zasnovani za spajkanje na standardna tiskana vezja s pomočjo matirane kositrne površine na njihovih končnih priključkih. Na voljo so v običajnih velikostih ohišja, vključno z 0201 (0,2 palca x 0,1 palca), 0402 (0,4 palca x 0,2 palca), 0603 (0,6 palca x 0,3 palca) in 0805 (0,8 palca x 0,5 palca). So certificirani kot brez svinca in so skladni z direktivo RoHS.
Kondenzatorji z značilnostmi delovanja in oblikami, ki so na voljo v seriji HiQ-CBR, delujejo dobro v 5G mobilnih baznih postajah in telekomunikacijskih omrežjih skupaj z RF močnostnimi ojačevalniki (PA), brezžičnimi lokalnimi omrežji (LAN), omrežji globalnega pozicioniranja (GPS) in Bluetooth komunikacijami. Ti kondenzatorji se uporabljajo tudi v operacijah obdelave signalov, kot so blokiranje enosmernega toka, filtriranje, prilagajanje impedance, sklopljanje in premostitev.
Kondenzatorji za infrastrukturo 5G, ki presega oscilatorje
Kondenzatorji se nahajajo tudi v mnogih drugih aplikacijah 5G infrastrukture, kot so DC/DC pretvorniki, zaščita pred izgubo napajanja, trdni diski, usmerjevalniki in stikala. Polimerni elektrolitski kondenzatorji, znani po svojih visokih kapacitivnih vrednostih, in metalizirani filmski kondenzatorji, ki lahko obvladujejo valovite tokove, delujejo bolje ali z višjo volumetrično učinkovitostjo kot MLCC v nekaterih aplikacijah.
Eden od tipov polimernih elektrolitskih kondenzatorjev je serija T523 podjetja KEMET [4] (slika 5). V teh kondenzatorjih je tantalovo jedro, anoda je obdana s tantalovim pentoksidom (Ta2O5) dielektričnim slojem, nato pa s slojem prevodnega polimernega elektrolita, ki prav tako vsebuje tantal. Ta sloj v kombinaciji s tretjim slojem ogljika in četrtim slojem srebra tvori katodo.
Kondenzatorji serije T523 imajo kapacitivnost od 47 µF do 1000 µF, ki je stabilna pri nazivni napetosti od 6,3 V do 35 V. Njihova ESR je nizka, od 30 mΩ do 100 mΩ, kar prispeva k tej stabilnosti, do nazivne frekvence 1 MHz.
Tehnologija polimernega elektrolita se nahaja tudi v polimernih aluminijevih organskih kondenzatorjih serije A798 [5] podjetja KEMET (slika 6). Ti kondenzatorji uporabljajo trdno prevodno polimerno katodo v kombinaciji z aluminijasto anodo, da dosežejo kapacitivnost 470 µF, ki je stabilna pri delovnih napetostih od 2 V do 2,5 V. ESR za te kondenzatorje je v razponu od 3 mΩ do 9 mΩ, najnižje vrednosti ESR pa se pojavijo, ko kapacitivnost doseže vrh pri frekvencah okoli 100 kHz.
Tako kot MLCC-ji, sta oba tipa kondenzatorjev namenjena za delovanje pri temperaturah od -55 °C do +125 °C. Vendar pa imajo kondenzatorji na polimerni osnovi, za razliko od MLCC-jev, omejeno življenjsko dobo, ki je odvisna od delovne temperature in vlažnosti. Kondenzatorji T523 so namenjeni za 2000 ur delovanja pri nazivni napetosti in 85 °C, medtem ko kondenzatorji A798 pri nazivni napetosti in 125 °C delujejo več kot 5500 ur, če so zasnovani za podaljšano življenjsko dobo. Pri obeh vrstah kondenzatorjev se pričakuje, da bodo pri nazivni napetosti in temperaturah pod 85 °C delovali 10 let ali več.
Obe liniji polimernih elektrolitov se nahajata v SMT ohišjih in sta na voljo v podobnih velikostih z dolžinami od 0,138 do 0,287 palca, širinami od 0,110 do 0,236 palca in višinami od 0,043 do 0,110 palca. Ti polimerni elektrolitski kondenzatorji imajo večkrat večjo kapacitivnost kot MLCC in visoko volumetrično učinkovitost. V aplikacijah, kjer se lahko uporabljajo, lahko polimerni elektrolitski kondenzatorji zagotovijo enako ali večjo kapacitivnost v manjšem prostoru v primerjavi z MLCC.
Druga vrsta kondenzatorja, ki se pogosto uporablja v DC/DC pretvornikih, je metalizirani filmski pulzni kondenzator (slika 7), ki deluje elektrostatično in ne elektrolitsko. Ti kondenzatorji so sestavljeni iz plasti neprevodnega filma polipropilenskega dielektrika, ki je na eni strani prevlečen s kovino, prepreden s kovinsko prevlečenim poliestrom ali prekrit s kovinsko folijo.
Metalizirani filmski pulzni kondenzatorji [6], ki jih ponuja podjetje KEMET, so na voljo v različnih velikostih in z različnimi lastnostmi, tako da so primerni za številne aplikacije v infrastrukturi 5G. Inženirji lahko izbirajo med izdelki s kapacitivnostjo med 40 pF in 100 µF ter enosmerno napetostjo med 100 V in 2500 V (slika 8). ESR za to vrsto kondenzatorjev je od 0,5 mΩ do 6,366 Ω.
Njihova površina je lahko majhna, od 0,283 palca do 0,098 palca, ali velika, od 1,634 palca do 1,181 palca. Večina pulznih kondenzatorjev iz metalizirane folije se pritrdi na tiskano vezje skozi luknje, zato imajo nekoliko višji profil, od 0,236 palca do 1,776 palca.
Zaključek
Načrtovanje 5G telekomunikacijske infrastrukture predstavlja izzive, ki so enakovredni obljubljenim koristim. Kondenzatorji vseh vrst, od MLCC-jev z nizko kapacitivnostjo za visoke frekvence do polimernih elektrolitskih kondenzatorjev z večkrat večjo kapacitivnostjo, do metaliziranih filmskih kondenzatorjev, ki so odporni na spremembe napetosti in valovitost tokov, imajo svojo vlogo v infrastrukturi 5G danes in v prihodnosti.
Viri:
https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/hiq-cbr-series
https://www.digikey.com/en/supplier-centers/kemet
https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/kemet-flex-suppressor-for-wi-fi-band-and-5g-in-shf-band
https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/t523-series-polymer-electrolytic-capacitors
https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/a798-series-aluminum-organic-capacitor
https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors
