Razvijalci rešitev za napajanje elektronskih sistemov in podsistemov, vključno z integriranimi vezji, aplikacijsko specifičnimi integriranimi vezji (ASIC), centralnimi procesnimi enotami (CPE), programirljivimi mrežami vrat (FPGA) ter napajanjem USB, nenehno iščejo načine, da bi izboljšali učinkovitosti in hkrati zagotovili stabilno napajanje brez šuma s širokimi temperaturnimi razponi ter strnjenimi dimenzijami.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2022-303-36
Izboljšati morajo učinkovitost, stabilnost in zanesljivost, znižati stroške ter zmanjšati dimenzije rešitve. Poleg tega morajo izpolniti vedno večje zahteve aplikacije glede zmogljivosti napajanja, vključno z glajenjem vhodnih in izhodnih tokov tokokrogov električnega napajanja, podporo zahtev za maksimalno moč ter odpravo nihanja napetosti.
Da bi razvijalci lahko izpolnili te zahteve, potrebujejo kondenzatorje z nizko ekvivalentno serijsko upornostjo (ESR) in nizko impedanco pri visokih frekvencah, ki pomagajo pri absorpciji valovanja ter zagotavljajo gladek in hiter prehodni odziv. Poleg tega sta pomembni tako zanesljivost delovanja kot zanesljivost dobavne verige.
Ob preučevanju težav in možnosti se kot dobra rešitev pokažejo polimerni aluminijski elektrolitski kondenzatorji, saj jih odlikujejo visoka električna zmogljivost, stabilnost, majhen šum, zanesljivost, kompaktne dimenzije ter nizko tveganje v dobavni verigi, saj ne vsebujejo konfliktnih materialov. Združujejo nizko ekvivalentno serijsko upornost (ESR), običajno merjeno v miliohmih (mΩ), in nizko impedanco pri visokih frekvencah (do 500 kilohertzov (kHz)), kar zagotavlja odlično odpravljanje šuma, absorpcijo valovanja ter ločevanje na električnih vodih. Poleg tega ponujajo stabilnost kapacitivnosti pri visokih delovnih frekvencah in temperaturah.
Ta članek ponuja pregled delovanja polimernih aluminijskih elektrolitskih kondenzatorjev in njihove zgradbe. Primerja učinkovitost teh kondenzatorjev z alternativnimi tehnologijami kondenzatorjev, nato pa se posveča posebnim aplikacijam polimernih aluminijskih elektrolitskih kondenzatorjev. Članek se zaključi s pregledom reprezentativnih naprav podjetja Murata in aplikacijskih dejavnikov, ki jih morajo razvijalci pri uporabi teh kondenzatorjev poznati ter upoštevati.
Kakšna je zgradba polimernih aluminijskih kondenzatorjev?
Polimerni aluminijski kondenzatorji vsebujejo anodo iz jedkane aluminijeve folije, dielektrik s filmom aluminijevega oksida in katodo iz prevodnega polimera (slika 1). Glede na posamezen kondenzator so na voljo s kapacitivnostmi od 6,8 do 470 mikrofaradov (µF) in pokrivajo napetostno območje od 2 do 25 voltov za enosmerni tok (Vdc).
V kondenzatorjih serije ECAS podjetja Murata je jedkana aluminijeva folija pritrjena neposredno na pozitivno elektrodo, prevodni polimer pa je prekrit z ogljikovo pasto in s pomočjo prevodne srebrne paste povezan z negativno elektrodo (slika 2). Celotna struktura je obdana z ulito epoksidno smolo, da se zagotovi mehansko trdnost in zaščiti okolje. Tako izdelan kondenzator za površinsko vgradnjo z nizkim profilom ne vsebuje halogenov in ima stopnjo občutljivosti na vlago (MSL) 3. Večplastna (laminirana) struktura aluminijeve folije in oksidiranega filma kondenzatorje serije ECAS podjetja Murata razlikuje od običajnih aluminijskih elektrolitskih kondenzatorjev, kot so navite strukture v obliki pločevinke, ki lahko za katodo uporabljajo bodisi polimer bodisi elektrolit.
Kombinacija laminirane strukture in izbire materialov omogoča, da imajo kondenzatorji ECAS najnižjo ekvivalentno serijsko upornost (ESR), ki je na voljo za elektrolitske kondenzatorje. Polimerni aluminijski kondenzatorji serije ECAS zagotavljajo kapacitivnosti, ki so primerljive s polimernimi tantalovimi (Ta) kondenzatorji, tantalovimi kondenzatorji iz manganovega dioksida (MnO2) in večplastnimi keramičnimi kondenzatorji (MLCC), ter ponujajo ekvivalentne serijske upornosti, ki so primerljive z večplastnimi keramičnimi kondenzatorji in nižje od polimernih tantalovih kondenzatorjev ali tantalovih kondenzatorjev iz MnO2 (slika 3).
Pri cenovno občutljivih aplikacijah lahko aluminijski elektrolitski kondenzatorji in tantalovi kondenzatorji (MnO2) ponudijo razmeroma ugodne rešitve. Običajni aluminijski ali tantalovi elektrolitski kondenzatorji za katodo uporabljajo elektrolit ali manganov dioksid (MnO2). Uporaba prevodne polimerne katode v ECAS kondenzatorjih zagotavlja nižjo ekvivalentno serijsko upornost, stabilnejše toplotne lastnosti, večjo varnost in daljšo življenjsko dobo (slika 4). Čeprav so večplastni keramični kondenzatorji relativno poceni, imajo značilnosti vpliva enosmerne napetosti, ki jih pri drugih tehnologijah kondenzatorjev ni mogoče najti.
Značilnost vpliva enosmerne napetosti se nanaša na spremembo kapacitivnosti večplastnega keramičnega kondenzatorja pri enosmerni napetosti. Z naraščanjem enosmerne napetosti se efektivna kapacitivnost večplastnega keramičnega kondenzatorja zmanjšuje. Ko se vpliv enosmerne napetosti poveča za nekaj voltov, lahko večplastni keramični kondenzatorji izgubijo od 40 do 80 % svoje nazivne kapacitivnosti, zaradi česar za številne aplikacije za upravljanje napajanja niso primerni.
Zaradi svojih lastnosti delovanja so polimerni aluminijski elektrolitski kondenzatorji primerni za aplikacije za upravljanje napajanja, vključno z napajanjem vezij CPE, ASIC, FPGA in drugih velikih integriranih vezij, ter za pomoč pri zadovoljevanju potreb maksimalne moči v napajalnih sistemih USB (slika 5).
Polimerni aluminijski kondenzatorji imajo nizko ekvivalentno serijsko upornost, nizko impedanco in stabilno kapacitivnost, zaradi česar so primerni za aplikacije, kot sta glajenje ter odpravljanje valovanja, zlasti na električnih vodih, ki so izpostavljeni velikim nihanjem tokovne obremenitve. Pri teh aplikacijah se lahko polimerne aluminijske kondenzatorje uporablja v kombinaciji z večplastnimi keramičnimi kondenzatorji.
Polimerni aluminijski kondenzatorji zagotovijo funkcije upravljanja napajanja, večplastni keramični kondenzatorji pa filtrirajo visokofrekvenčni šum na napajalnih priključkih integriranih vezij. Poleg tega lahko polimerni aluminijski kondenzatorji pomagajo zagotoviti potrebe maksimalne moči v USB napajalnih sistemih, pri tem pa na tiskanem vezju zasedejo malo prostora.
Polimerni aluminijski kondenzatorji
Polimerni aluminijski kondenzatorji ECAS so na voljo v štirih metričnih velikostih ohišja EIA 7343 glede na njihove oznake: D3: (7,3 milimetrov (mm) × 4,3 mm × 1,4 mm višine); D4 (7,3 mm × 4,3 mm × 1,9 mm višine); D6 (7,3 mm × 4,3 mm × 2,8 mm višine) in D9 (7,3 mm × 4,3 mm × 4,2 mm višine). Na voljo so v obliki DigiReel, rezanega traku in traku ter koluta (slika 6). Druge specifikacije vključujejo:
- razpon kapacitivnosti: od 6,8 µF do 470 μF
- toleranca kapacitivnosti: ±20 % in +10 %/-35 %
- nazivna napetost: od 2 Vdc do 16 Vdc
- ekvivalentne serijske upornosti: od 6 mΩ do 70 mΩ
- delovna temperatura: od -40 °C do +105 °C
Podjetje Murata je nedavno razširila družino izdelkov ECAS, ki zdaj vključuje 6,3-voltne kondenzatorje s kapacitivnostjo 330 µF (±20 %), kot je ECASD60J337M009KA0 z ekvivalentno serijsko upornostjo 9 mΩ v ohišju velikosti D4. Višje vrednosti kapacitivnosti lahko prispevajo k boljšemu glajenju valovanja in zmanjšanju števila potrebnih kondenzatorjev, kar zmanjša celotno velikost rešitve.
Če se na primer 2-voltni polimerni aluminijski kondenzator ECASD40D337M006KA0 s kapacitivnostjo 330 µF (±20 %) uporablja za filtriranje izhoda DC-DC pretvornika, ki preklaplja pri 300 kHz, bo kondenzator z ekvivalentno serijsko upornostjo 6 mΩ proizvedel valovanje napetosti 13 milivoltov od vrha do vrha (mVp-p) v primerjavi z aluminijskim polimernim kondenzatorjem z ekvivalentno serijsko upornostjo 15 mΩ, ki proizvede valovanje napetosti 36 mVp-p, ali aluminijskim elektrolitskim kondenzatorjem z ekvivalentno serijsko upornostjo 900 mΩ, ki proizvede valovanje napetosti 950 mVp-p.
Drugi primeri kondenzatorjev ECAS vključujejo kondenzator ECASD40D157M009K00 z nazivnima vrednostma 150 µF (±20 %) in 2 Vdc z ekvivalentno serijsko upornostjo 9 mΩ v ohišju D4 ter kondenzator ECASD41C686M040KH0 z nazivnima vrednostma 68 µF (±20 %) in 16 Vdc z ekvivalentno serijsko upornostjo 40 mΩ, prav tako v ohišju D4. Značilnosti polimernih aluminijskih kondenzatorjev ECAS vključujejo:
- Visoka kapacitivnost v kombinaciji z nizko ekvivalentno serijsko upornostjo
- Stabilna kapacitivnost pri enosmerni napetosti/temperaturi/visokih frekvencah
- Odlična absorpcija valovanja, glajenje, prehodni odziv
- Redukcija napetosti ni potrebna
- Odpravljanje akustičnega šuma, ki ga ustvarjajo keramični kondenzatorji (piezoelektričnost)
- Na izdelku je označena polarnost (pozitivna)
- Konstrukcija za površinsko nameščanje
- Združljivo z direktivo RoHS
- Brez halogenov
- Pakiranje s stopnjo občutljivosti na vlago (MSL) 3
Dejavniki pri načrtovanju
Polimerni aluminijski elektrolitski kondenzatorji ECAS so optimizirani za uporabo v aplikacijah za upravljanje napajanja in niso priporočljivi za uporabo v tokokrogih s časovno konstanto, sklopnih vezjih ali tokokrogih, ki so občutljivi na slepe toke. Kondenzatorji ECAS niso zasnovani za serijsko povezovanje. Drugi dejavniki pri načrtovanju vključujejo:
Polarnost: Polimerni aluminijski elektrolitski kondenzatorji so polarizirani in morajo biti povezani v pravilni polarnosti. Že kratka uporaba reverzne napetosti lahko poškoduje oksidni film in poslabša delovanje kondenzatorja.
Delovna napetost: Kadar se ti kondenzatorji uporabljajo v tokokrogih z izmeničnim tokom ali valovitostjo toka, je treba napetost od vrha do vrha (Vp-p) ali od odklona do vrha (Vo-p), ki vključuje vpliv enosmerne napetosti, ohraniti znotraj območja nazivne napetosti. V preklopnih vezjih, kjer lahko pride do prehodnih napetosti, mora biti nazivna napetost dovolj visoka, da vključuje tudi prehodne vrhove.
Tokovna prekoračitev: Če se pričakuje tokovna prekoračitev, ki presega 20 amperov (A), je potrebno dodatno omejevanje tokovne prekoračitve, da se vrh prekoračitve ohrani pri 20 A.
Valovitost toka: Vsak model serije ECAS ima določene nazivne vrednosti valovitosti toka, ki ne smejo biti presežene. Prevelike valovitosti toka ustvarjajo toploto, ki lahko poškoduje kondenzator.
Delovna temperatura
Pri določanju nazivne temperature kondenzatorja morajo razvijalci upoštevati delovno temperaturo aplikacije, vključno s porazdelitvijo temperature znotraj opreme in morebitnimi sezonskimi temperaturnimi dejavniki.
Površinska temperatura kondenzatorja mora ostati znotraj območja delovne temperature, vključno z morebitnim lastnim segrevanjem kondenzatorja, ki je posledica dejavnikov posamezne aplikacije, kot so valovitosti toka.
Zaključek
Razvojniki napajalnih sistemov težko dosežejo optimalno ravnovesje med učinkovitostjo, zmogljivostjo, stroški, stabilnostjo, zanesljivostjo in obliko, zlasti pri napajanju velikih integriranih vezij, kot so MCU, ASIC ter FPGA, in pri pomoči pri zadovoljevanju potreb maksimalne moči v aplikacijah USB. Eden glavnih sestavnih delov signalne verige napajanja je kondenzator, te naprave pa imajo številne značilnosti, ki pomagajo izpolniti zahteve oblikovalcev – če se uporabi prava tehnologija.
Kot je prikazano, polimerni aluminijski kondenzatorji razvijalcem pomagajo najti pravo ravnovesje. Njihova struktura zagotavlja nizko impedanco pri frekvencah do 500 kHz, nizko ekvivalentno serijsko upornost, dobro glajenje valovanja in odpravljanje šuma ter ločevanje na električnih vodih. Prav tako nimajo omejitev zaradi vpliva enosmerne napetosti in se ohranjajo sami, kar izboljša zanesljivost delovanja. Imajo tudi zanesljivejšo dobavno verigo, saj ne uporabljajo konfliktnih materialov. Tako polimerni aluminijski kondenzatorji razvijalcem ponujajo zmogljivejšo možnost za izpolnjevanje zahtev številnih sistemov za upravljanje napajanja.
Priporočeno branje
Osnove: Poznavanje vrst kondenzatorjev za njihovo ustrezno in varno uporabo: https://www.digikey.si/en/articles/fundamentals-understand-the-characteristics-of-capacitor-types
