Slik bruker du kondensatorer av polymeraluminium for å drive CPU-er, ASIC-er, FPGA-er og USB-er på en effektiv måte

Konstruktører av strømforsyningsløsninger for elektroniske systemer og delsystemer, deriblant IC-er, anvendelsesspesifikke IC-er (ASIC – application-specific IC), CPU-er og feltprogrammerbare portmatriser (FPGA-er), samt USB-strøm, er kontinuerlig på utkikk etter måter å forbedre effektiviteten på, samtidig som de sikrer stabil, støyfri strøm over store temperaturområder, i et lite format. De må forbedre effektivitet, stabilitet og pålitelighet, samt redusere kostnader og løsningens fysiske størrelse. Samtidig må de oppfylle de stadig økende kravene til effektytelse for bruksområdet, som omfatter utjevning av inngangs- og utgangsstrøm i strømforsyningskretser, støtte krav til effekttopper og dempe spenningssvingninger.

For å møte disse utfordringene trenger konstruktører kondensatorer med lav ekvivalent seriemotstand (ESR – equivalent series resistance) og lav impedans ved høye frekvenser for å støtte rippelabsorpsjon og sikre jevn og rask transient respons. I tillegg er driftsmessig pålitelighet og pålitelighet i forsyningskjeden viktig.

Elektrolyttkondensatorer av polymeraluminium er en god løsning når man tar problemene og alternativene i betraktning, ettersom de har høy elektrisk ytelse, stabilitet, lav støy, pålitelighet, kompakt størrelse og lav risiko for forsyningskjeden, ettersom de ikke bruker konfliktmaterialer. De kombinerer lav ESR (vanligvis målt i milliohm (mΩ)) og lave impedanser ved høye frekvenser (opptil 500 kilohertz (kHz)), og gir utmerket støydemping, rippelabsorpsjon og avkobling av ytelse på kraftledninger. De har også stabil kapasitans ved høye driftsfrekvenser og temperaturer.

Denne artikkelen gir en oversikt over hvordan elektrolyttkondensatorer av polymeraluminium fungerer og hvordan de lages. Den sammenligner ytelsen til disse kondensatorene med alternative kondensatorteknologier, og ser deretter nærmere på bestemte bruksområder for elektrolyttkondensatorer av polymeraluminium. Den avslutter så med en gjennomgang av representative enheter fra Murata og installasjonshensyn som konstruktører må være oppmerksomme på når de bruker disse kondensatorene.

Hvordan lages kondensatorer av polymeraluminium?

Kondensatorer av polymeraluminium har en etset katode av aluminiumsfolie, en aluminiumoksidert dielektrisk film og en ledende polymerkatode (figur 1). Avhengig av den bestemte enheten, er de tilgjengelige med kapasitanser fra 6,8 til 470 mikrofarad (µF), og de dekker et spenningsområde fra 2 til 25 volt likestrøm (VDC).

Figur 1: Modell med elektrolyttkondensator av polymeraluminium som viser forholdet mellom den etsede anoden av aluminiumsfolie (venstre), den aluminiumoksiderte dielektriske filmen (midten) og den ledende polymerkatoden (høyre). (Bildekilde: Murata)

I Murata sine enheter i ECAS-serien er den etsede aluminiumsfolien festet direkte til den positive elektroden, mens det ledende polymerstoffet er dekket med en karbonpasta og koblet til den negative elektroden ved hjelp av en ledende sølvpasta (figur 2). Hele konstruksjonen er innkapslet i en støpt epoksyharpiks for å gi mekanisk styrke og beskyttelse mot omgivelsene. Den resulterende overflatemonterte pakken med lav profil er halogenfri og klassifisert for fuktighetsfølsomhetsnivå 3 (MSL – moisture sensitivity level). Flerlagsstrukturen (laminert) til aluminiumsfolien og den oksiderte filmen skiller Murata sin ECAS-serie fra typiske aluminium-elektrolyttkondensatorer, for eksempel boks-type-strukturer (can-type) som er viklet og som kan bruke enten en polymer eller en elektrolytt som katode.

Figur 2: ECAS-seriens kondensatorenhet av polymeraluminium som viser ledende polymer (rosa), etset aluminiumsfolie (hvit), aluminium (Al)-oksidert film (blå), karbonpasta (brun) og sølvpasta (mørk grå) som forbinder det ledende polymerstoffet med den negative elektroden og epoksyharpiksomslaget. (Bildekilde: Murata)

Kombinasjonen av den laminerte strukturen og materialvalget gjør det mulig for ECAS-kondensatorer å ha den laveste ESR-en som er tilgjengelig for elektrolyttkondensatorer. ECAS-seriens kondensatorer av polymeraluminium gir kapasitanser som er sammenlignbare med polymertantal (Ta)-kondensatorer, Ta-mangandioksid (MnO₂)-kondensatorer og flerlagskondensatorer av keramisk materiale (MLCC – multi-layer ceramic capacitor), med ESR-er som er sammenlignbare med MLCC-er og lavere enn polymer- eller MnO₂ Ta-kondensatorer (figur 3).

Figur 3: Kondensatorer av polymeraluminium (ECAS-serien) har høyere kapasitansverdier og sammenlignbare ESR-verdier sammenlignet med MLCC-er, og lavere ESR-er med sammenlignbar kapasitans med tantal- og boks-type-aluminiumskondensatorer. (Bildekilde: Murata)

For kostnadsfølsomme konstruksjoner kan aluminium-elektrolyttkondensatorer og Ta (MnO₂)-kondensatorer gi relativt prisgunstige løsninger. Konvensjonelle aluminium- eller tantal-elektrolyttkondensatorer bruker en elektrolytt eller mangandioksid (MnO₂) som katode. Bruken av ledende polymerkatode i ECAS-kondensatorer resulterer i lavere ESR, mer stabile termiske egenskaper, forbedret sikkerhet og lengre levetid (figur 4). MLCC-er, selv om de er relativt billige, lider av DC-forspenningsegenskaper som ikke finnes i de andre kondensatorteknologiene.

Figur 4: Kondensatorer av polymeraluminium gir grunnkombinasjonen av lav ESR, DC-forspenningsegenskaper, temperaturegenskaper, levetid og pålitelighet. (Bildekilde: Murata)

DC-forspenningsegenskapen refererer til kapasitansendringen til en MLCC med en påført likespenning. Etter hvert som den påførte likestrømsspenningen øker, reduseres MLCC-ens effektive kapasitans. Når DC-forspenningen øker til noen få volt, kan MLCC-er miste mellom 40 og 80 % av sin nominelle kapasitansverdi, noe som gjør dem uegnede for mange strømstyringskonstruksjoner.

Ytelsesegenskapene til elektrolyttkondensatorer av polymeraluminium gjør dem godt egnet for strømstyringskonstruksjoner, deriblant strømforsyninger for CPU-er, ASIC-er, FPGA-er og andre store IC-er, og i USB-strømsystemer for å støtte behovene til toppeffekt (figur 5).

Figur 5: I eksempel 1 (øverst): Kondensatorer av polymeraluminium i en strømstyringskrets som brukes i målkonstruksjoner for å eliminere rippel og jevne ut og stabilisere spenningskilder. Eksempel 2 (nederst): Kondensatorer av polymeraluminium kan støtte toppeffektbehov i USB-strømsystemer. (Bildekilde: Murata)

Kondensatorer av polymeraluminium har lav ESR, lav impedans og stabil kapasitans, noe som gjør dem godt egnet for bruksområder som utjevning og eliminering av rippel, spesielt på strømledninger som er utsatt for store svingninger i strømbelastningen. For disse bruksområdene kan kondensatorer av polymeraluminium brukes i kombinasjon med MLCC-er.

Kondensatorer av polymeraluminium tilbyr strømstyringsfunksjoner, og MLCC-er filtrerer høyfrekvent støy på strømpinnen(e) til IC-er. Kondensatorer av polymeraluminium kan også støtte behovene til toppeffekt i USB-strømsystemer, samtidig som de opprettholder den lille størrelsen til kretskortet.

Kondensatorer av polymeraluminium

ECAS-kondensatorer av polymeraluminium er tilgjengelige i fire EIA 7343 metriske kapslingsstørrelser, avhengig av klassifiseringen: D3: (7,3 millimeter (mm) x 4,3 mm x 1,4 mm høy), D4 (7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm høy), D6 (7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm høy) og D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm høy). De er tilgjengelige i DigiReel, bånd for kutting (cut-tape) og bånd-og-rull-formatet (Tape and Reel) (figur 6). Andre spesifikasjoner omfatter:

• Kapasitansområde: 6,8 µF til 470 µF
• Kapasitanstoleranser: ±20 % og +10 %/–35 %
• Nominelle spenninger: 2 VDC til 16 VDC
• ESR-er: 6 mΩ til 70 mΩ
• Driftstemperatur: –40 °C til +105 °C

Figur 6: ECAS-kondensatorer av polymeraluminium tilbys i DigiReel, bånd for kutting og bånd-og-rull-formatet, og leveres i kapslingsstørrelsene: D3, D4, D6 og D9. (Bildekilde: Murata)

Murata utvidet nylig ECAS-familien til å inkludere 330 µF (±20 %), 6,3-volts enheter, slik som ECASD60J337M009KA0 med en ESR på 9 mΩ i en D4-kapslingsstørrelse. Høyere kapasitansverdier kan bidra til forbedret utjevning av rippel og en reduksjon i antallet kondensatorer som kreves, noe som reduserer den generelle størrelsen på løsningen.

Når de for eksempel brukes til å filtrere utgangen til en DC-DC-omformer som veksler ved 330 kHz, vil ECASD40D337M006KA0-kondensatoren av polymeraluminium på 330 µF (±20 %) og 2 volt og med en ESR på 6 mΩ, produsere den en rippelspenning på 13 millivolt topp-til-topp (mVp-p), sammenlignet med en kondensator av aluminiumpolymer med en ESR på 15 mΩ, som produserer en rippelspenning på 36 mVp-p, eller en aluminium-elektrolyttkondensator med en ESR på 900 mΩ, som produserer en rippelspenning på 950 mVp-p.

Andre eksempler på ECAS-kondensatorer inkluderer ECASD40D157M009K00, som er klassifisert til 150 µF (±20 %) og 2 VDC og med en ESR på 9 mΩ i en D4-kapsling, og ECASD41C686M040KH0, som er klassifisert til 68 µF (±20 %) og 16 VDC og med en ESR på 40 mΩ, også i en D4-kapsling. Funksjonene til ECAS-kondensatorer av polymeraluminium omfatter følgende:

• Høy kapasitans kombinert med lav ESR
• Stabil kapasitans med påført likespenning/temperatur/høye frekvenser
• Utmerket rippelabsorpsjon, utjevning, transient respons
• Ingen spenningsreduksjon er nødvendig
• Eliminering av den akustiske støyen fra keramiske kondensatorer (piezoeffekt)
• Polaritetsstang (polarity bar) (positiv) er notert på produktet
• Overflatemontert konstruksjon
• RoHS-kompatibel
• Halogenfri
• MSL 3-innkapsling

Hensyn til konstruksjonen

ECAS-elektrolyttkondensatorer av polymeraluminium er optimalisert for bruk i strømstyringskonstruksjoner. De anbefales ikke for bruk i tidskonstantkretser, koblingskretser eller kretser som er følsomme for lekkasjestrøm. ECAS-kondensatorer er ikke konstruert for seriekobling. Andre konstruksjonshensyn omfatter følgende:

• Polaritet: Elektrolyttkondensatorer av polymeraluminium er polarisert og må kobles til i riktig polaritet. Selv en midlertidig påføring av en reversspenning kan skade oksidfilmen og svekke ytelsen til kondensatoren.
• Driftsspenning: Når disse kondensatorene brukes i vekselstrøm- eller rippelstrømkretser, må topp-til-topp-spenningen (Vp-p), eller forskyvning-til-topp-spenningen (Vo-p – offset-to-peak), som inkluderer DC-forspenning, opprettholdes innenfor det nominelle spenningsområdet. I svitsjekretser som kan oppleve transientspenninger, må den nominelle spenningen være høy nok til å også inkludere de transiente toppene.
• Innkoblingsstrøm: Hvis det forventes en innkoblingsstrøm på over 20 ampere (A), er det nødvendig med ytterligere begrensning av innkoblingsstrømmen for å opprettholde en topp-innkoblingsstrøm på 20 A.
• Rippelstrøm: Alle modeller i ECAS-serien har spesifikke rippelstrømklassifiseringer som ikke må overskrides. Overdreven rippelstrøm vil generere varme som kan skade kondensatoren.
• Driftstemperatur:
  • Ved fastsettelse av kondensatorens temperaturklasse, må konstruktører ta hensyn til driftstemperaturen for konstruksjonen, inkludert temperaturdistribusjonen i utstyret og eventuelle sesongavhengige temperaturfaktorer.
  • Overflatetemperaturen til kondensatoren må holde seg innenfor driftstemperaturområdet, inkludert eventuell selvoppvarming av kondensatoren som følge av de spesifikke konstruksjonsfaktorene, slik som rippelstrøm.

Konklusjon

Det er vanskelig for konstruktører av strømforsyningssystemer å oppnå den optimale balansen mellom effektivitet, ytelse, kostnad, stabilitet, pålitelighet og størrelse, spesielt når de leverer store IC-er som MCU-er, ASIC-er og FPGA-er, og når de støtter behovene for toppeffekt i USB-konstruksjoner. En av hovedkomponentene i strømforsyningens signalkjede er kondensatoren, og det er mange egenskaper ved disse enhetene som bidrar til å oppfylle konstruktørenes krav – hvis den riktige teknologien brukes.

Som vist, hjelper kondensatorer av polymeraluminium konstruktører med å finne den rette balansen. Strukturen til disse sikrer lave impedanser ved frekvenser opp til 500 kHz, lav ESR, god utjevning av rippel, samt god støydemping og avkobling på strømledninger. De lider heller ikke av DC-forspenningsbegrensninger, og de er selvoppvarmende, noe som forbedrer driftsmessig pålitelighet. De har også en mer pålitelig forsyningskjede ettersom de ikke bruker konfliktmaterialer. Alt i alt tilbyr kondensatorer av polymeraluminium konstruktører et høyere ytelsesalternativ når det gjelder å møte kravene til et bredt spekter av strømstyringssystemer.

Anbefalt lesing:

1. Grunnleggende: Forstå egenskapene til forskjellige typer kondensatorer, slik at de kan brukes på en egnet og sikker måte