Kondensatory polimerowo-aluminiowe w układach zasilania układów cyfrowych

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci potrzebują kondensatorów elektrolitycznych, które mają małą równoważną rezystancję szeregową (ESR) i impedancję przy wysokich częstotliwościach, dzięki czemu układ zasilania będzie się charakteryzował małym poziomem tętnień i szumów w napięciu wyjściowym oraz szybką reakcją na stany przejściowe (nagły wzrost lub spadek obciążenia). Ponadto ważna jest niezawodność działania takich komponentów, jak i dostępność w autoryzowanym łańcuchu dostaw.

Patrząc na wymagania oraz parametry poszczególnych elementów, widzimy, że kondensatory elektrolityczne polimerowo- aluminiowe okazują się dobrym rozwiązaniem w takiej sytuacji, ponieważ charakteryzują się znakomitymi parametrami elektrycznymi, stabilnością w czasie i niezawodnością, małymi wartościami ESR i ESL oraz kompaktową obudową. Ich budowa nie opiera się na minerałach powodujących konflikty, co ogranicza ryzyko zakłóceń w łańcuchu dostaw. Elementy te mają małą zastępczą rezystancję szeregową ESR rzędu pojedynczych miliomów i małą impedancję przy wysokich częstotliwościach (do 500 kHz), zapewniając doskonałe tłumienie szumów, tętnień i dobrą wydajność odsprzęgania na liniach zasilających. Charakteryzują się również stabilnością pojemności przy wysokich częstotliwościach roboczych i przy zmianach temperatury.

W artykule przedstawiono zasadę działania kondensatorów elektrolitycznych polimerowo-aluminiowych i omówiono sposób ich produkcji. Porównano parametry tych elementów z alternatywnymi technologiami, a dalej artykuł wskazuje na konkretne zastosowania wersji polimerowo- aluminiowych na przykładach produktów firmy Murata.

Jak wytwarzane są kondensatory polimerowo-aluminiowe?

 

Rys. 1. Ilustracja budowy kondensatora elektrolitycznego polimerowo-aluminiowego skłądającego się z wytrawionej anody dieelektryka przewodzącej katody polimerowej

Kondensatory polimerowo-aluminiowe zawierają anodę z wytrawionej folii aluminiowej, dielektryk z oksydowanej folii aluminiowej i przewodzącą katodę polimerową (rys. 1). W zależności od konkretnej wersji są one dostępne w zakresie pojemności od 6,8 do 470 μF, a zakres napięć znamionowych waha się od 2 do 25 V_dc.

W podzespołach z serii ECAS firmy Murata wytrawiona folia aluminiowa jest przymocowana bezpośrednio do wyprowadzenia dodatniego, podczas gdy przewodzący polimer jest pokryty pastą węglową i połączony z wyprowadzeniem ujemnym za pomocą przewodzącej pasty srebrowej (rys. 2). Cała konstrukcja jest stabilizowana żywicą epoksydową, która zapewnia wytrzymałość mechaniczną i ochronę przed środowiskiem. Tak powstała niskoprofilowa obudowa do montażu powierzchniowego nie zawiera halogenów i jest klasyfikowana jako MSL 3 w zakresie wrażliwości na wilgoć. Wielowarstwowa (laminowana) struktura zawierająca folię trawioną naprzemiennie z utlenioną odróżnia elementy ECAS od typowych aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych, zawierających zwijaną folię w formie długich pasków, które wykorzystują elektrolit jako katodę.

 

Rys. 2. Konstrukcja kondensatora polimerowo-aluminiowego z serii ECAS przedstawiająca polimer przewodzący (różowy), wytrawioną folię aluminiową (biały), utlenioną folię aluminiową (niebieski), pastę węglową (brązową) i pastę srebrną (ciemnoszary), która łączy polimer przewodzący z elektrodą ujemną oraz obudowę z żywicy epoksydowej

Dzięki wielowarstwowej konstrukcji i użytym materiałom kondensatory ECAS mają najniższą wartość ESR dostępną dla kondensatorów elektrolitycznych. Elementy te zapewniają pojemności porównywalne z kondensatorami polimerowo-tantalowymi (Ta), wersjami bazującymi na dwutlenku manganu (Ta MnO₂) i z wielowarstwowymi podzespołami ceramicznymi (MLCC), przy czym ESR jest porównywalna z MLCC i niższa niż w kondensatorach polimerowych lub MnO₂ (rys. 3).

 

Rys. 3. Kondensatory polimerowo-aluminiowe (seria ECAS) charakteryzują się większymi wartościami pojemności i zbliżoną ESR w porównaniu z MLCC oraz niższym ESR o porównywalnej pojemności do kondensatorów tantalowych i zwykłych wersji aluminiowych

W przypadku zastosowań, gdzie niskie koszty są bardzo istotne, aluminiowe kondensatory elektrolityczne i kondensatory Ta MnO₂ mogą okazać się najkorzystniejsze. Zwykłe wersje elektrolityczne aluminiowe lub tantalowe wykorzystują jako katodę elektrolit lub dwutlenek manganu (MnO₂). Zastosowanie przewodzącej katody polimerowej w ECAS skutkuje niższym ESR, bardziej stabilną charakterystyką termiczną, poprawą bezpieczeństwa i dłuższą żywotnością (rys. 4). Elementy MLCC, chociaż są niedrogie, mają tę wadę, że ich pojemność zależy od napięcia polaryzacji, czego w innych technologiach nie ma.

 

Rys. 4. Kondensatory polimerowo-aluminiowe zapewniają małe ESR, ich pojemność nie zależy od przyłożonego napięcia i zapewniają dobre parametry w zakresie dopuszczalnych temperatur pracy, żywotności i niezawodności

Efekt zmiany pojemności w funkcji napięcia polaryzacji kondensatora dotyczy materiału ceramicznego w kondensatorach MLCC. Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia stałego zmniejsza się efektywna pojemność i gdy stałe napięcie na zaciskach tego elementu przekracza kilka woltów, pojemność MLCC może się obniżyć o 40% do 80% nominalnej wartości pojemności, co czyni je nieodpowiednimi do wielu zastosowań związanych z konwersją energii.

Charakterystyka kondensatorów polimerowo-aluminiowych sprawia, że elementy te dobrze nadają się do zastosowań związanych z konwersją energii, w tym zasilaczy dla procesorów, układów ASIC, FPGA i innych złożonych układów scalonych, a także do obsługi dużego chwilowego zapotrzebowania na moc zasilającą w USB (rys. 5).

 

Rys. 5. W przykładzie 1 (u góry) polimerowo-aluminiowe kondensatory w obwodzie zarządzania energią używane są w aplikacjach w celu ograniczenia tętnień i wygładzenia napięć oraz do stabilizacji źródeł. W przykładzie 2 (na dole) pokazano, jak mogą one zapewnić szczytowe zapotrzebowanie na moc w systemach zasilania USB

Wersje polimerowo-aluminiowe mają małą ESR i impedancję oraz zapewniają stabilną wartość pojemności, dzięki czemu nadają się do zastosowań takich, jak wygładzanie przebiegów i eliminowanie tętnień, szczególnie w liniach zasilających, w których następują duże wahania prądu obciążenia. W tych zastosowaniach kondensatory polimerowo-aluminiowe mogą być używane razem z MLCC. W takim połączeniu elementy polimerowo-aluminiowe zapewniają gromadzenie energii, a MLCC filtrują zakłócenia o wysokiej częstotliwości na pinach zasilania układów scalonych.

Co jest dostępne

Kondensatory z serii ECAS są dostępne w czterech rozmiarach obudowy EIA 7343: D3: (7,3×4,3×1,4 mm), D4 (7,3×4,3×1,9 mm), D6 (7,3×4,3×2,8 mm) i D9 (7,3×4,3×4,2 mm) i sprzedawane na rolkach i jako odcinki taśmy (rys. 6). Zakres dostępnych pojemności to: 6,8 do 470 μF, tolerancja ±20% i +10%/-35%, a napięcia znamionowe: 2–16 VDC. Wartość ESR waha się między 6 a 70 mΩ w zależności od elementu. Temperatura pracy to –40…+105°C.

 

Rys. 6. Kondensatory ECAS są produkowane w obudowach D3, D4, D6 i D9 i dostępne jako DigiReel w odcinkach taśmy i opakowaniach fabrycznych

Murata niedawno rozszerzyła rodzinę ECAS o wersje 330 μF (±20%) 6,3 V, takie jak ECASD60J337M009KA0 z ESR 9 mΩ w obudowie D4. Wyższe wartości pojemności mogą zapewnić zmniejszenie liczby wymaganych kondensatorów w układzie.

Na przykład, gdy taki element jest używany do filtrowania napięcia wyjściowego w konwerterze DC-DC pracującym z kluczowaniem 300 kHz, taki kondensator (330 μF z ESR=6 mΩ, przy napięciu 2 V) da napięcie tętnień ok. 13 mVpp. Jest to znacznie mniej w porównaniu z aluminiowym kondensatorem polimerowym o ESR=15 mΩ, dla którego tętnienia będą 36 mVpp lub zwykłym kondensatorem aluminiowym o ESR=900 mΩ – 950 mVpp

Inne wersje warte uwagi to ECASD-40D157M009K00 o pojemności nominalnej 150 μF (±20%) i z ESR=9 mΩ dla 2 V_DC w obudowie D4 oraz ECASD41C686M040KH0 68 μF (±20%) i ESR=40 mΩ (16 V) również w obudowie D4.

Wspólne cechy kondensatorów polimerowo-aluminiowych ECAS to:

• duża pojemność w połączeniu z małym ESR,
• stabilna wartość pojemności niewrażliwa na wartość napięcia DC/temperatury, także przy dużych częstotliwościach,
• doskonałe tłumienie tętnień, wygładzanie napięć i odpowiedź na stany nieustalone,
• brak konieczności deratingu w zakresie napięcia pracy,
• brak efektu akustycznego wytwarzanego przez kondensatory ceramiczne na skutek efektu piezo,
• polaryzacja oznaczona paskiem na obudowie,
• konstrukcja SMD zgodna z RoHS i wolna od halogenu,
• opakowanie MSL 3

Wskazówki projektowe

Kondensatory ECAS zostały zoptymalizowane pod kątem zastosowań związanych z konwersją energii i nie są zalecane do stosowania w układach, gdzie istotna jest stała czasowa, obwodach sprzęgających lub wrażliwych na prądy upływowe. Elementy te nie są przeznaczone do łączenia szeregowego, a także wymagają zwrócenia uwagi na następujące zagadnienia:

• polaryzacja: są to elementy spolaryzowane i muszą być podłączone z zachowaniem prawidłowej polaryzacji. Nawet chwilowe przyłożenie napięcia wstecznego może uszkodzić warstwę tlenku izolującego i pogorszyć parametry.
• napięcie robocze: w obwodach prądu przemiennego lub tętniącego napięcie międzyszczytowe (Vpp) lub napięcie między składową stałą a szczytową wartością tętnień musi być utrzymywane w zakresie napięcia znamionowego. W obwodach przełączających, w których mogą występować napięcia nieustalone, napięcie znamionowe musi być wystarczająco duże, aby dostępny zakres pokrył również wartości nieustalone.
• prąd rozruchowy: Jeśli spodziewany prąd rozruchowy przekracza 20 A, wymagane jest dodatkowy ogranicznik.
• prąd tętnień: każdy element z serii ECAS ma określone wartości znamionowe prądu tętnień, których nie wolno przekraczać, bo nastąpi przegrzanie i utrata żywotności.
• temperatura robocza: przy określaniu temperatury znamionowej kondensatora projektanci muszą wziąć pod uwagę zakres temperatur roboczych w aplikacji, w tym rozkład temperatury w urządzeniu i wszelkie czynniki sezonowe. Temperatura obudowy kondensatora musi mieścić się w zakresie temperatur roboczych, wliczając w to samonagrzewanie się kondensatora wynikające z np. prądu tętnień i ESR.

Podsumowanie

Kondensatory polimerowo-aluminiowe pomagają projektantom znaleźć odpowiednią równowagę między kluczowymi wymaganiami projektu. Ich budowa zapewnia małą impedancję przy częstotliwościach do 500 kHz, małą wartość ESR, co przekłada się na dobre wygładzanie tętnień, a także dobre tłumienie stanów przejściowych i jakość odsprzęgania na liniach zasilania. Ponadto elementy te nie mają ograniczeń związanych z napięciem polaryzacji i naprawiają drobne uszkodzenia izolacji samoczynnie, poprawiając niezawodność. Nie bazują na minerałach uznawanych za konfliktowe.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/