Varför och hur man använder polymeraluminiumkondensatorer för att driva CPU:er, ASIC:er, FPGA:er och USB på ett effektivt sätt

Konstruktörer av strömförsörjningslösningar för elektroniska system och delsystem, inklusive integrerade kretsar, applikationsspecifika integrerade kretsar (ASIC), centrala processorenheter (CPU) och fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA) samt strömförsörjning av USB, söker ständigt efter sätt att förbättra effektiviteten och samtidigt säkerställa en stabil, brusfri strömförsörjning över stora temperaturområden i ett kompakt format. De måste förbättra effektiviteten, stabiliteten och tillförlitligheten, sänka kostnaderna och minska lösningens format. Samtidigt måste de uppfylla de ständigt ökande kraven på effektprestanda i tillämpningen, inklusive utjämning av in- och utgångsströmmar i strömförsörjningskretsar, stöd för toppeffektbehov och dämpning av spänningsvariationer.

För att möta dessa utmaningar behöver konstruktörer kondensatorer med låg ekvivalent seriemotstånd (ESR) och låg impedans vid höga frekvenser för att stödja rippelabsorption och för att säkerställa ett jämnt och snabbt transientsvar. Dessutom är både driftsäkerhet och tillförlitlighet i leveranskedjan viktiga.

När man tittar på problemen och alternativen, framstår polymerelektrolytkondensatorer av aluminium som en bra lösning eftersom de har hög elektrisk prestanda, hög stabilitet, lågt brus, hög tillförlitlighet, ett kompakt format och utgör en låg risk i försörjningskedjan eftersom de inte använder konfliktmaterial. De kombinerar låg ESR (vanligtvis mätt i mΩ) och en låg impedans vid höga frekvenser (upp till 500 kHz), vilket ger utmärkt brusdämpning, rippelabsorption och avkoppling för kraftledningar. De har även en stabil kapacitans vid höga driftfrekvenser och temperaturer.

Artikeln ger en översikt över hur polymerelektrolytkondensatorer av aluminium fungerar och hur de tillverkas. Den jämför dessa kondensatorers prestanda med alternativa kondensatortekniker, innan den tittar på specifika tillämpningar för polymerelektrolytkondensatorer av aluminium. Den avslutas med en genomgång av representativa enheter från Murata och överväganden som konstruktörer måste vara medvetna om när de använder dessa kondensatorer.

Hur tillverkas polymeraluminiumkondensatorer?

Polymeraluminiumkondensatorer har en etsad katod av aluminiumfolie, ett dielektrikum av oxiderad aluminiumfilm och en ledande katod av polymer (figur 1). Beroende på den specifika enheten finns de i kapaciteter från 6,8 till 470 µF och de har ett spänningsområde från 2 till 25 VDC.

Figur 1: Modell av polymerelektrolytkondensator av aluminium som visar förhållandet mellan den etsade aluminiumfolien som anod (vänster), den oxiderade aluminiumfilmens dielektrikum (mitten) och den ledande katoden av polymer (höger). (Bildkälla: Murata)

I Muratas ECAS-serie är den etsade aluminiumfolien fäst direkt på den positiva elektroden, medan den ledande polymeren är täckt med en kolpasta och ansluten till den negativa elektroden med hjälp av en ledande silverpasta (figur 2). Hela konstruktionen är inkapslad i ett gjutet epoxiharts för mekanisk styrka och miljöskydd. Den färdigt ytmonterade kapslingen med låg profil är halogenfri och klassad för fuktkänslighetsnivå (MSL) 3. Konstruktionen med flera (laminerade) lager av aluminiumfolie och oxiderad film skiljer Muratas ECAS-serie från typiska elektrolytkondensatorer av aluminium, t.ex. burkformade konstruktioner som kan använda antingen en polymer eller en elektrolyt som katod.

Figur 2: Bild på ECAS-seriens konstruktion av polymeraluminiumkondensatorer som visar den ledande polymeren (rosa), den etsade aluminiumfolien (vit), den oxiderade aluminiumfilmen (Al) (blå), kolpastan (brun) och silverpastan (mörkgrå) som förbinder den ledande polymeren med den negativa elektroden och höljet av epoxiharts. (Bildkälla: Murata)

Kombinationen av den laminerade strukturen och materialvalet gör det möjligt för ECAS-kondensatorer att ha den lägsta ESR som finns för elektrolytkondensatorer. ECAS-seriens polymeraluminiumkondensatorer har kapaciteter som är jämförbara med polymertantalkondensatorer (Ta), Ta-mangandioxidkondensatorer (MnO₂) och keramiska flerskiktskondensatorer (MLCC), med ESR som är jämförbara med MLCC och lägre än polymer- eller MnO₂Ta-kondensatorer (figur 3).

Figur 3: Polymeraluminiumkondensatorer (ECAS-serien) har högre kapacitansvärden och jämförbara ESR med MLCC, och lägre ESR med jämförbar kapacitans med tantal- och aluminiumkondensatorer av burktyp. (Bildkälla: Murata)

För kostnadskänsliga tillämpningar kan aluminiumelektrolytkondensatorer och Ta (MnO₂)-kondensatorer vara relativt billiga lösningar. Konventionella elektrolytkondensatorer av aluminium eller tantal använder en elektrolyt eller mangandioxid (MnO₂) som katod. Användningen av en ledande polymerkatod i ECAS-kondensatorer ger lägre ESR, stabilare termiska egenskaper, förbättrad säkerhet och längre livslängd (figur 4). MLCC:er är visserligen relativt billiga, men de har egenskaper för likspänningsförspänning som inte finns i andra kondensatortekniker.

Figur 4: Polymeraluminiumkondensatorer ger den bästa kombinationen av låg ESR, egenskaper för likspänningsförspänning, temperaturegenskaper, livslängd och tillförlitlighet. (Bildkälla: Murata)

Egenskaperna för likströmsförspänning avser kapacitansförändringen hos en MLCC med en applicerad likspänning. När den applicerade likspänningen ökar minskar MLCC:ns effektiva kapacitans. När likspänningsförspänningen ökar till några få volt kan MLCC:er förlora 40-80 % av sitt nominella kapacitetsvärde, vilket gör dem olämpliga för många strömhanteringstillämpningar.

Prestandaegenskaperna hos polymera aluminiumelektrolytkondensatorer gör dem väl lämpade för strömförsörjningstillämpningar, inklusive strömförsörjning för CPU:er, ASIC:er, FPGA:er och andra stora integrerade kretsar, och för att stödja toppeffektbehovet i strömförsörjningssystem för USB (figur 5).

Figur 5: I Ex. 1 (överst): Polymeraluminiumkondensatorer i en strömhanteringskrets som används i måltillämpningar för att eliminera rippel och jämna ut och stabilisera spänningskällor. Ex. 2 (nederst): Polymeraluminiumkondensatorer kan klara toppeffektbehovet i strömförsörjningssystem för USB. (Bildkälla: Murata)

Polymeraluminiumkondensatorer har låg ESR, låg impedans och stabil kapacitans, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar som utjämning och eliminering av rippel, särskilt för kraftledningar som utsätts för stora variationer i strömlasten. I dessa tillämpningar kan polymeraluminiumkondensatorer användas i kombination med MLCC.

Polymeraluminiumkondensatorer tillhandahåller funktioner för energihantering och MLCC:er filtrerar bort högfrekventa störningar på de integrerade kretsarnas strömförsörjningsstift. Polymeraluminiumkondensatorer kan även hantera toppeffektbehov i strömförsörjningssystem för USB samtidigt som de tar liten plats på kretskortet.

Kondensatorer av polymeraluminium

ECAS polymeraluminiumkondensatorer finns i fyra metriska EIA 7343-kapslingsstorlekar, beroende på deras klassning: D3: (7,3 x 4,3 x 1,4 mm hög), D4 (7,3 x 4,3 x 1,9 mm hög), D6 (7,3 x 4,3 x 2,8 mm hög) och D9 (7,3 x 4,3 x 4,2 mm hög). De finns i DigiReel-, remsa, band- och rullformat (figur 6). Andra specifikationer inkluderar:

• Kapacitansområde: 6,8 till 470 μF
• Kapacitanstoleranser: ±20 % och +10 %/-35 %
• Nominell spänning: 2 till 16 VDC
• ESR: 6 till 70 mΩ
• Arbetstemperatur: från -40 till +105 °C

Figur 6: ECAS polymeraluminiumkondensatorer finns som DigiReel-, remsa, band- och rullformat och finns i storlekarna D3, D4, D6 och D9. (Bildkälla: Murata)

Murata utökade nyligen ECAS-familjen med 330 µF (±20 %), 6,3 V enheter som ECASD60J337M009KA0 med en ESR på 9 mΩ i kapslingsstorleken D4. Högre kapacitansvärden kan bidra till bättre utjämning av rippel och en minskning av antalet kondensatorer som krävs, vilket minskar den totala lösningen.

När ECASD40D337M006KA0 330 µF (±20 %), 2 V polymeraluminiumkondensator med en ESR på 6 mΩ används för att filtrera utgången på en DC-DC-omvandlare som switchar vid 300 kHz, kommer ECASD40D337M006KA0 att producera en rippelspänning på 13 mVp-p, jämfört med en aluminiumpolymerkondensator med en ESR på 15 mΩ, som ger en rippelspänning på 36 mVp-p, eller en aluminiumelektrolytkondensator med en ESR på 900 mΩ, som ger en rippelspänning på 950 mVp-p.

Andra exempel på ECAS-kondensatorer är ECASD40D157M009K00, som är dimensionerade för 150 µF (±20 %) och 2 VDC med en ESR på 9 mΩ i en D4-kapsling, och ECASD41C686M040KH0, som är dimensionerad för 68 µF (±20 %) och 16 VDC med en ESR på 40 mΩ, också i en D4-kapsling. Funktionerna i ECAS polymeraluminiumkondensatorer inkluderar:

• Hög kapacitans i kombination med låg ESR
• Stabil kapacitans med tillämpad likspänning/temperatur/höga frekvenser
• Utmärkt absorption av rippel, utmärkt utjämning och utmärkt transientsvar
• Ingen spänningsdämpning krävs
• Eliminering av det akustiska oljud som skapas av keramiska kondensatorer (piezoeffekt)
• Polaritetsstreck (plus) markerat på produkten
• Konstruktion för ytmontering
• RoHS-kompatibla
• Halogen-fria
• MSL 3 kapslingar

Konstruktionsöverväganden

ECAS polymerelektrolytkondensatorer av aluminium är optimerade för användning i tillämpningar för energihantering; de rekommenderas inte för användning i tidskonstanta kretsar, kopplingskretsar eller kretsar som är känsliga för läckströmmar. ECAS-kondensatorer är inte avsedda att kopplas i serie. Andra konstruktionsöverväganden inkluderar:

• Polaritet: Polymerelektrolytkondensatorer av aluminium är polariserade och måste anslutas med rätt polaritet. Även en kortvarig omvänd spänning kan skada oxidfilmen och försämra kondensatorns prestanda.
• Driftspänning: När kondensatorerna används i växelströmskretsar eller kretsar med rippelström måste spänningen från topp till topp (Vp-p) eller spänningen från offset till topp (Vo-p), som inkluderar likspänningförspänningen, hållas inom det nominella spänningsintervallet. I switchande kretsar där det kan uppstå transienta spänningar måste den nominella spänningen vara tillräckligt hög för att även inkludera de transienta topparna.
• Inrusningsström: Om inrusningsströmmen förväntas bli högre än 20 A krävs ytterligare begränsning av inrusningsströmmen för att hålla toppinrusningen på 20 A.
• Rippelström: Varje modell i ECAS-serien har specifika värden för rippelström som inte får överskridas. För stora rippelströmmar genererar värme som kan skada kondensatorn.
• Drifttemperatur:
  • När kondensatorns temperaturklassificering konstateras måste konstruktörerna ta hänsyn till tillämpningens driftstemperatur, inklusive temperaturfördelningen i utrustningen och eventuella säsongsrelaterade temperaturfaktorer.
  • Kondensatorns yttemperatur måste hålla sig inom driftstemperaturområdet, inklusive eventuell självuppvärmning av kondensatorn till följd av specifika faktorer i tillämpningen, som t.ex. rippelströmmar.

Sammanfattning

Det är svårt för konstruktörer av strömförsörjningssystem att uppnå den optimala balansen mellan effektivitet, prestanda, kostnad, stabilitet, tillförlitlighet och format, särskilt när det gäller att försörja stora integrerade kretsar såsom MCU:er, ASIC:er och FPGA:er och när det gäller att stödja toppeffektbehov i USB-tillämpningar. En av de viktigaste komponenterna i strömförsörjningens signalkedja är kondensatorn, och det finns många egenskaper hos dessa enheter som gör det lättare att uppfylla konstruktörernas krav - om rätt teknik används.

Polymerkondensatorer av aluminium gör det lättare för konstruktörer att hitta rätt balans. Deras struktur säkerställer låga impedanser vid frekvenser upp till 500 kHz, de har en låg ESR, bra utjämning av rippel samt samt bra brusdämpning och avkoppling för kraftledningar. De lider inte heller av begränsningar i likspänningsförspänningen och de är självläkande, vilket förbättrar driftsäkerheten. De har även en mer tillförlitlig leveranskedja eftersom de inte använder konfliktmaterial. Sammantaget erbjuder polymeraluminiumkondensatorer konstruktörer ett alternativ med högre prestanda för att uppfylla kraven i ett brett spektrum av strömförsörjningssystem.

Rekommenderad läsning

1. Grundfakta: Förstå egenskaperna hos olika kondensatortyper för att använda dem på ett lämpligt och säkert sätt