Miért és hogyan érdemes polimer–alumínium elektrolitkondenzátorokat használni a CPU-k, ASIC-k, FPGA-k és USB-k hatékony áramellátásához?

Az elektronikus rendszerek és alrendszerek – beleértve az integrált áramköröket (IC), az alkalmazásspecifikus IC-ket (ASIC), a központi feldolgozóegységeket (CPU, hétköznapibb nevén processzor vagy – ma már ritkábban – mikroprocesszor) és a helyben programozható logikai kapumátrixokat (FPGA), valamint az USB-s áramellátást – áramellátási megoldásainak tervezői folyamatosan keresik a hatékonyság javításának lehetőségeit, úgy, hogy közben stabil, zajmentes áramellátást kínáljanak széles hőmérséklet-tartományokban, kis méretben. Javítaniuk kell a hatékonyságot, a stabilitást és a megbízhatóságot, csökkenteniük a költségeket és az egységek méreteit. Ugyanakkor meg kell felelniük a berendezések egyre növekvő teljesítménykövetelményeinek, beleértve az áramellátó áramkörök bemeneti és kimeneti áramának simítását, a csúcsteljesítmény-igények támogatását és a feszültségingadozások elfojtását.

Az ezen kihívásoknak való megfelelés érdekében a tervezőknek olyan kondenzátorokra van szükségük, amelyeknek kicsi az egyenértékű soros ellenállásuk (ESR), és nagyfrekvencián kicsi az impedanciájuk, hogy támogassák a búgófeszültség simítását, és biztosítsák a tranziensekre adott zökkenőmentes és gyors választ. Ezen túlmenően fontos mind a működési megbízhatóság, mind az ellátási lánc megbízhatósága.

A problémákat és lehetőségeket vizsgálva jó megoldásnak tűnnek az polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok, mert nagy villamos teljesítményt, stabilitást, alacsony zajszintet, nagy megbízhatóságot, kis méretet és az ellátási lánc terén alacsony kockázatot jelentenek, mivel nem tartalmaznak ütközőzónákból származó anyagokat. A kis egyenértékű soros ellenállás (ESR, jellemzően mΩ-ban mérve) és a nagyfrekvencián (akár 500 kHz-en) kis impedancia kombinációja kiváló zajelnyomást, búgófeszültség-simítást és leválasztási teljesítményt biztosít a tápvezetékeken. Az ilyen kondenzátorok kapacitása nagy működési frekvencián és magas hőmérsékleten is stabil.

Ez a cikk a polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok működéséről és gyártásáról nyújt áttekintést. Összehasonlítja ezeknek a kondenzátoroknak a teljesítményét az egyéb kondenzátorfajtákéval, majd megvizsgálja a polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok konkrét felhasználási területeit. A cikk a Murata cég jellegzetes termékeinek áttekintésével és olyan felhasználási szempontokkal zárul, amelyekkel a tervezőknek tisztában kell lenniük, ha ilyen kondenzátorokat szeretnének használni.

Hogyan készülnek a polimer–alumínium kondenzátorok?

A polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok maratott alumíniumfólia katóddal, oxidált alumíniumréteg dielektrikummal és vezető polimerből készült katóddal rendelkeznek (1. ábra). Az adott eszköztől függően 6,8 µF – 470 µF közötti kapacitással kaphatóak, és 2–25 V egyenfeszültség-tartományt (VDC) fednek le.

1. ábra: A polimer–alumínium elektrolitkondenzátor elvi felépítése, amely a maratott alumíniumfólia anód (balra), az oxidált alumíniumréteg dielektrikum (középen) és a vezető polimerből készült katód (jobbra) közötti kapcsolatot mutatja (kép: Murata)

A Murata ECAS sorozatú eszközeinél a maratott alumíniumfóliát közvetlenül a pozitív elektródához rögzítik, míg a vezető polimert szénpasztával fedik be, és vezető ezüstpasztával csatlakoztatják a negatív elektródához (2. ábra). A teljes szerkezetet a mechanikai szilárdság és a környezetvédelem érdekében epoxigyanta öntvénybe burkolják. Az így kialakított alacsony profilú, felületre szerelhető tok halogénmentes, és 3-as nedvességérzékenységi szint (MSL) minősítésű. Az alumíniumfólia és az oxidált alumíniumréteg többrétegű (laminált) szerkezete megkülönbözteti a Murata ECAS sorozatát a tipikus alumínium elektrolitkondenzátoroktól, például a sörösdoboz alakú csévélt szerkezetektől, amelyek katódként polimert vagy elektrolitot használhatnak.

2. ábra: Az ECAS sorozatú polimer–alumínium elektrolitkondenzátor szerkezete, amelyen látható a vezető polimer (rózsaszín), a maratott alumíniumfólia (fehér), az oxidált alumíniumréteg (kék), a szénpaszta (barna) és a vezető polimert a negatív elektródához és az epoxigyanta burkolathoz kapcsoló ezüstpaszta (sötétszürke). (kép: Murata)

A laminált szerkezet és az anyagválasztás kombinációja lehetővé teszi, hogy az ECAS kondenzátoroknak az elektrolitkondenzátorokkal elérhető legkisebb egyenértékű soros ellenállása legyen. Az ECAS sorozatú polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok a polimer tantálkondenzátorokhoz, a tantál–mangán-dioxid (Ta–MnO₂) kondenzátorokhoz és a többrétegű kerámiakondenzátorokhoz (MLCC) hasonló kapacitást tesznek lehetővé, egyenértékű soros ellenállásuk pedig a többrétegű kerámiakondenzátorokéhoz hasonló, és kisebb, mint a polimer vagy MnO₂-os tantálkondenzátoroké (3. ábra).

3. ábra: A polimer–alumínium kondenzátorok (ECAS sorozat) a többrétegű kerámiakondenzátoroknál magasabb kapacitásúak, és azokéhoz hasonló az egyenértékű soros ellenállásuk, a tantálkondenzátorokénál és sörösdoboz alakú alumíniumkondenzátorokénál pedig kevesebb, hasonló kapacitás mellett (kép: Murata)

A költségérzékeny területeken az alumínium elektrolitkondenzátorok és a Ta–MnO₂ kondenzátorok viszonylag olcsó megoldást jelenthetnek. A hagyományos alumínium és tantál elektrolitkondenzátorok katódként elektrolitot vagy mangán-dioxidot (MnO₂) használnak. A vezető polimerből készült katód használata az ECAS kondenzátorokban kisebb egyenértékű soros ellenállást, stabilabb termikus jellemzőket, nagyobb biztonságot és hosszabb élettartamot eredményez (4. ábra). A többrétegű kerámiakondenzátoroknak, bár viszonylag olcsók, olyan egyenáramú előfeszítési jellemzői vannak, amelyek a többi kondenzátorfajtára nem jellemzőek.

4. ábra: A polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok a kis egyenértékű soros ellenállás, az egyenáramú előfeszítési jellemzők, a hőmérsékleti jellemzők, az élettartam és a megbízhatóság jó kombinációját nyújtják (kép: Murata)

Az egyenáramú előfeszítési karakterisztika a többrétegű kerámiakondenzátorok kapacitásának változását mutatja a ráadott egyenfeszültség változásának hatására. A ráadott egyenfeszültség növekedésével a többrétegű kerámiakondenzátorok üzemi kapacitása csökken. Amikor az egyenfeszültségű előfeszítés néhány V-ra nő, a többrétegű kerámiakondenzátorok elveszíthetik névleges kapacitásuk 40-80%-át, ami alkalmatlanná teszi őket számos energiagazdálkodási területen történő felhasználásra.

A polimer–alumínium kondenzátorok a teljesítményjellemzőik miatt jól használhatók az energiagazdálkodási területeken, beleértve a CPU-k, ASIC-k, FPGA-k és más nagyméretű IC-k áramellátását, valamint az USB-s áramellátó rendszerek csúcsteljesítmény-igényének kiszolgálását (5. ábra).

5. ábra: Az 1. példában (fent): Polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok egy célberendezésekben használt teljesítményszabályozó áramkörben, amely a búgófeszültség megszüntetésére, valamint a feszültségforrások feszültségének simítására és stabilizálására szolgál. 2. példa (alul): A polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok képesek kiszolgálni az USB-s áramellátó rendszerek csúcsteljesítmény-igényét (kép: Murata)

A polimer–alumínium elektrolitkondenzátoroknak kicsi az egyenértékű soros ellenállásuk és az impedanciájuk, és stabil a kapacitásuk, ami alkalmassá teszi őket olyan felhasználási területekre, mint például a búgófeszültség simítása és megszüntetése, különösen a nagy áramterhelés-ingadozásoknak kitett távvezetékeken. Ezeken a felhasználási területeken a polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok a többrétegű kerámiakondenzátorokkal együtt használhatók.

A polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok látják el az energiagazdálkodási funkciókat, a többrétegű kerámiakondenzátorok pedig a nagyfrekvenciás zajokat szűrik az IC-k tápcsatlakozólábain. A polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok az USB-s áramellátó rendszerekben képesek kiszolgálni a csúcsteljesítmény-igényeket is, miközben kis területet foglalnak a nyomtatott áramköri lapon.

Polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok

Az ECAS polimer–alumínium kondenzátorok négyféle méretű EIA 7343 metrikus tokban kaphatók, a névleges teljesítményüktől függően: D3 (7,3 mm × 4,3 mm × 1,4 mm magas), D4 (7,3 mm × 4,3 mm × 1,9 mm magas), D6 (7,3 mm × 4,3 mm × 2,8 mm magas) és D9 (7,3 mm × 4,3 mm × 4,2 mm magas). Az ECAS kondenzátorok DigiReel, vágott szalag, szalag és tekercs formátumú kiszerelésben kaphatóak (6. ábra). Egyéb műszaki adatok:

• Kapacitástartomány: 6,8 μF – 470 μF között
• Kapacitás-tűréshatárok: ±20% és +10%/–35%
• Névleges feszültségek: 2 V – 16 V (egyenfeszültség)
• Egyenértékű soros ellenállás (ESR): 6 mΩ – 70 mΩ között
• Üzemi hőmérséklet-tartomány: –40 °C – +105 °C

6. ábra: Az ECAS polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok DigiReel, vágott szalag, szalag és tekercs kiszerelési formátumban, D3, D4, D6 és D9 tokméretekben kaphatók. (kép: Murata)

A Murata nemrégiben bővítette az ECAS termékcsaládot 330 µF (±20%), 6,3 V-os eszközökkel, amilyen például az ECASD60J337M009KA0 jelű kondenzátor, 9 mΩ egyenértékű soros ellenállással, D4-es tokméretben. A nagyobb kapacitásértékek hozzájárulhatnak a jobb búgófeszültség-simításhoz és a szükséges kondenzátorok számának csökkentéséhez, ami csökkenti a megoldás teljes méretét.

Például egy 300 kHz-en kapcsoló egyenáramú (DC–DC) átalakító kimenetének szűrésekor az ECASD40D337M006KA0 330 µF (±20%), 2 V-os, 6 mΩ egyenértékű soros ellenállású polimer–alumínium elektrolitkondenzátor 13 mVpp (csúcsértéktől csúcsértékig mért) búgófeszültséget enged át, szemben egy 15 mΩ egyenértékű soros ellenállású polimer–alumínium elektrolitkondenzátorral, amely 36 mVpp búgófeszültséget, vagy egy 900 mΩ egyenértékű soros ellenállású alumínium elektrolitkondenzátorral, amely 950 mVpp búgófeszültséget eredményez.

További példa még az ECAS kondenzátorokra az ECASD40D157M009K00, amely 150 µF (±20%) kapacitású és 2 V egyenfeszültségű, 9 mΩ egyenértékű soros ellenállással, D4-es tokban, valamint az ECASD41C686M040KH0, amely 68 µF (±20%) kapacitású és 16 V egyenfeszültségű, 40 mΩ egyenértékű soros ellenállással, szintén D4-es tokban. Az ECAS polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok jellemzői:

• Nagy kapacitás és kis egyenértékű soros ellenállás
• Stabil kapacitás különböző ráadott egyenfeszültségek/hőmérsékletek/nagyfrekvenciák esetén
• Kiváló hullámelnyelés, simítás, és tranzienskezelés
• Nincs szükség feszültségcsökkentésre
• A kerámiakondenzátorok által keltett akusztikus zaj (piezohatás) kiküszöbölése
• A terméken fel van tüntetve a polaritásjelző csík (pozitív)
• Felületre szerelhető kialakítás
• Megfelel az RoHS előírásoknak
• Halogénmentes
• MSL 3 tokozás

Tervezési szempontok

Az ECAS polimer–alumínium elektrolitkondenzátorokat teljesítményszabályozó berendezésekben való használatra optimalizálták. Nem ajánlott a használatuk időállandó-beállító áramkörökben, csatolóáramkörökben és átvezetési áramokra érzékeny áramkörökben. Az ECAS kondenzátorokat nem sorba kapcsolásra tervezték. Egyéb tervezési szempontok:

• Polaritás: A polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok polarizáltak, és helyes polaritással kell csatlakoztatni őket. A fordított polaritású feszültség egy pillanatra történő ráadása is károsíthatja az oxidréteget, és csökkentheti a kondenzátor teljesítményét.
• Üzemi feszültség: Ha ezeket a kondenzátorokat váltakozó áramú vagy búgóáramos áramkörökben használják, a Vpp (csúcstól csúcsig mért) feszültséget, illetve az egyenfeszültségű előfeszítést is tartalmazó csúcseltolási (Vop) feszültséget a névleges feszültségtartományon belül kell tartani. Az olyan kapcsolóáramkörökben, amelyekben tranziensfeszültségek léphetnek fel, a névleges feszültségnek elég magasnak kell lennie ahhoz, hogy a tranzienscsúcsokat is magában foglalja.
• Bekapcsolási túláram: Ha 20 A-t meghaladó bekapcsolási túláram várható, további bekapcsolásitúláram-korlátozásra van szükség, hogy a bekapcsolási túláram csúcsértékét 20 A alatt tartsa.
• Búgóáram: Az ECAS sorozat mindegyik típusához meghatározott búgóáramérték tartozik, amelyet nem szabad túllépni. A túl nagy búgóáramok hőt termelnek, ami károsíthatja a kondenzátort.
• Üzemi hőmérséklet:
  • A kondenzátor hőmérsékleti besorolásának meghatározásakor a tervezőknek figyelembe kell venniük a felhasználási területen uralkodó üzemi hőmérsékletet, beleértve a berendezésen belüli hőmérséklet-eloszlást és a szezonális hőmérsékleti tényezőket is.
  • A kondenzátor felületi hőmérsékletének az üzemi hőmérséklet-tartományon belül kell maradnia, beleértve a kondenzátornak a konkrét felhasználástól függő tényezőkből, például a búgóáramokból eredő önmelegedését is.

Összegzés

Az áramellátó rendszerek tervezőinek nehézséget okoz a hatékonyság, a teljesítmény, a költségek, a stabilitás, a megbízhatóság és a méret optimális egyensúlyának elérése, különösen a nagyméretű IC-k, például a mikrovezérlő egységek (MCU), ASIC-k és FPGA-k áramellátása, valamint az USB-s áramellátású berendezések csúcsteljesítmény-igényének kiszolgálása esetén. A tápegység jelláncának egyik fő eleme a kondenzátor. A kondenzátoroknak számos olyan tulajdonságuk van, amelyek segítenek a tervezők igényeinek kielégítésében – ha a megfelelő technikát használják.

Mint látható, a polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok segítenek a tervezőknek megtalálni a megfelelő egyensúlyt. Szerkezetük 500 kHz-ig terjedő frekvenciákon kis impedanciát biztosít, valamint kis egyenértékű soros ellenállást és jó búgófeszültség-simítást, távvezetékek esetében pedig jó zajcsillapítást és csatolásmentesítést (hidegítést). Emellett nem szenvednek az egyenfeszültségű előfeszítés korlátaitól, és öngyógyítóak, ami javítja a működési megbízhatóságot. Emellett az ellátási láncuk is megbízhatóbb, mert nem tartalmaznak ütközőzónákból származó anyagokat. Mindent összevetve a polimer–alumínium elektrolitkondenzátorok nagyobb teljesítményű lehetőséget kínálnak a tervezőknek arra, hogy teljesítsék a teljesítményszabályozó rendszerek széles körének követelményeit.

Ajánlott olvasnivaló:

1. Fundamentals: Understand the Characteristics of Capacitor Types to Use Them Appropriately and Safely (Alapelvek: Ismerjük meg a kondenzátorfajták jellemzőit a kondenzátorok megfelelő és biztonságos használata érdekében)