Hvorfor og hvordan man bruger polymer aluminiums-kondensatorer til effektiv strømforsyning af CPU'er, ASIC'er, FPGA'er og USB

Designere af strømforsyningsløsninger til elektroniske systemer og delsystemer, herunder IC'er, applikations-specifikke IC'er (ASIC'er), CPU'er og FPGA'er (field-programmable gate arrays) samt USB-strømforsyning, er konstant på udkig efter måder at forbedre effektiviteten på og samtidig sikre stabil, støjfri strøm over store temperaturintervaller i en kompakt formfaktor. De skal forbedre effektiviteten, stabiliteten og pålideligheden, sænke omkostningerne og reducere løsningens formfaktor. Samtidig skal de opfylde de stadigt stigende krav til applikationens effektydelse, herunder udjævning af ind- og udgangsstrømmene i strømforsyningskredsløb, understøttelse af peak-belastningsspørgsmål og undertrykkelse af spændingsudsving.

For at imødegå disse udfordringer har designere brug for kondensatorer med lav ækvivalent seriemodstand (ESR) og lav impedans ved høje frekvenser for at understøtte rippel-absorption og sikre en jævn og hurtig transient respons. Desuden er både driftssikkerhed og forsyningskædens pålidelighed vigtige.

Når man ser på problemerne og mulighederne, fremstår polymer aluminiums-elektrolytkondensatorer som en god løsning, da de har høj elektrisk ydeevne, stabilitet, lav støj, pålidelighed, en kompakt formfaktor og lav risiko for forsyningskæden, da de ikke anvender konfliktmaterialer. De kombinerer lav ESR (typisk målt i milliohms (mΩ)) og lave impedanser ved høje frekvenser (op til 500 kilohertz (kHz)), hvilket giver fremragende støjundertrykkelse, rippel-absorption og afkoblingsevne på strømledninger. De har også en stabil kapacitet ved høje driftsfrekvenser og temperaturer.

Denne artikel giver et overblik over, hvordan polymer aluminiums-elektrolytkondensatorer fungerer, og hvordan de fremstilles. Den sammenligner disse kondensatorers ydeevne med alternative kondensator-teknologier, før den ser på specifikke anvendelser for polymer aluminiums-elektrolytkondensatorer. Den afsluttes med en gennemgang af repræsentative enheder fra Murata og overvejelser omkring anvendelse, som designere skal være opmærksomme på, når de bruger disse kondensatorer.

Hvordan fremstilles polymer aluminiums-kondensatorer?

Polymer aluminiums-kondensatorer har en ætset aluminiumsfolie-katode, et dielektrikum af oxideret aluminiumfilm og en ledende polymerkatode (figur 1). Afhængigt af den specifikke enhed er tilgængelige med kapaciteter fra 6,8 til 470 mikrofarads (µF) og dækker et spændingsområde fra 2 til 25 volt DC-strøm (Vdc).

Figur 1: Polymer aluminiums-elektrolytkondensator model, der viser forholdet mellem den ætsede aluminiumsfolie anode (venstre), aluminium oxideret film dielektrisk (centrum), og den ledende polymer katode (højre). (Billedkilde: Murata)

I Muratas ECAS-serie er den ætsede aluminiumsfolie fastgjort direkte til den positive elektrode, mens den ledende polymer er dækket af en kulstofpasta og forbundet til den negative elektrode ved hjælp af en ledende sølvpasta (figur 2). Hele strukturen er indkapslet i en støbt epoxyharpiks for at sikre mekanisk styrke og miljøbeskyttelse. Den resulterende lavprofil, overflademonterede pakke er halogenfri og er klassificeret til MSL 3 (moisture sensitivity level). Den laminerede struktur af aluminiumsfolie og oxideret film adskiller Murata's ECAS-serie fra typiske elektrolytkondensatorer af aluminium, f.eks. spolerede strukturer af dåsetypen, som kan bruge enten en polymer eller en elektrolyt som katode.

Figur 2: ECAS-seriens polymer aluminiums-kondensatorstruktur, der viser den ledende polymer (pink), ætset aluminiumsfolie (hvid), oxideret aluminium (Al) film (blå), kulstofpastaen (brun) og sølvpastaen (mørkegrå), der forbinder den ledende polymer med den negative elektrode og epoxyharpikshylsteret. (Billedkilde: Murata)

Kombinationen af den laminerede struktur og materialevalget gør det muligt for ECAS-kondensatorer at have den laveste ESR, der findes for elektrolytkondensatorer. ECAS-seriens polymer aluminiums-kondensatorer giver kapaciteter, der er sammenlignelige med polymer tantal-kondensatorer (Ta), Ta-mangandioxid kondensatorer (MnO₂) og flerlags keramiske kondensatorer (MLCC), med ESR'er, der er sammenlignelige med MLCC'er og lavere end polymer- eller MnO₂ Ta-kondensatorer (figur 3).

Figur 3: Polymer aluminiums-kondensatorer (ECAS-serien) har højere kapacitansværdier og sammenlignelige ESR'er sammenlignet med MLCC'er og lavere ESR'er med en kapacitans, der kan sammenlignes med tantal- og aluminiums-kondensatorer af cylinder-typen. (Billedkilde: Murata)

Til omkostningsfølsomme anvendelser kan aluminiums-elektrolytkondensatorer og Ta (MnO₂)-kondensatorer være relativt billige løsninger. Konventionelle elektrolytkondensatorer af aluminium eller tantal bruger en elektrolyt eller mangandioxid (MnO₂) som katode. Brugen af en ledende polymerkatode i ECAS-kondensatorer resulterer i lavere ESR, mere stabile termiske egenskaber, forbedret sikkerhed og længere levetid (figur 4). MLCC'er er forholdsvis billige, men lider under DC-biasegenskaber, som ikke findes i de andre kondensatorteknologier.

Figur 4: Polymer aluminiums-kondensatorer giver den bedste kombination af lav ESR, DC-forspændingsegenskaber, temperaturegenskaber, levetid og pålidelighed. (Billedkilde: Murata)

DC bias-karakteristikken henviser til kapacitetsændringen af en MLCC ved en påført DC-spænding. Når den anvendte DC-spænding stiger, falder MLCC's effektive kapacitet. Når DC-forspændingen øges til nogle få volt, kan MLCC'er miste 40 - 80 % af deres nominelle kapacitetsværdi, hvilket gør dem uegnede til mange strømstyringsapplikationer.

Polymer aluminiums-elektrolytkondensatorers egenskaber gør dem velegnede til strømstyrings applikationer, herunder strømforsyninger til CPU'er, ASIC'er, FPGA'er og andre store IC'er, og til at dække spidsbelastningsbehov i USB-strømforsynings systemer (figur 5).

Figur 5: I eks. 1 (øverst): Polymer aluminiums-kondensatorer i et strømstyringskredsløb, der anvendes i applikationer til at eliminere rippel og udjævne og stabilisere spændingskilder. Eks. 2 (nederst): Polymer aluminiums-kondensatorer kan dække peak-belastningsbehov i USB-strømforsynings systemer. (Billedkilde: Murata)

Polymer aluminiums-kondensatorer har lav ESR, lav impedans og stabil kapacitet, hvilket gør dem velegnede til applikationer som f.eks. udjævning og eliminering af rippel, især på strømledninger, der er udsat for store udsving i strømbelastningen. I disse applikationer kan polymer aluminiums-kondensatorer anvendes i kombination med MLCC'er.

Polymer aluminiums-kondensatorer har strømstyringsfunktioner, og MLCC'er filtrerer højfrekvent støj på strømforsyningsbenene i IC'er. Polymer aluminiums-kondensatorer kan også klare peak-belastningsbehov i USB-strømforsynings systemer, samtidig med at de har et lille PCB-foraftryk.

Polymer aluminiums-kondensatorer

ECAS polymer aluminiums-kondensatorer er tilgængelig i fire metriske EIA 7343-pakkestørrelser, afhængigt af deres nominelle værdier: D3: (7,3 mm x 4,3 mm x 1,4 mm høj); D4 (7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm høj); D6 (7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm høj); og D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm høj). De er tilgængelig i DigiReel-, cut-tape- og tape and reel-format (Figur 6). Andre specifikationer omfatter:

• Kapacitansområde: 6.8 µF til 470 μF
• Kapacitanstolerancer: ±20 % og +10 % / -35 %
• Nominelle spændinger: 2 Vdc til 16 Vdc
• ESR'er: 6 mΩ til 70 mΩ
• Driftstemperatur: -40 °C til +105 °C

Figur 6: ECAS polymer aluminiums-kondensatorer tilbydes i DigiReel-, cut-tape- og tape and reel-formater og er tiltængelige i pakkestørrelserne D3, D4, D6 og D9. (Billedkilde: Murata)

Murata har for nylig udvidet ECAS-familien med 330 µF (±20 %), 6,3 volt-enheder som ECASD60J337M009KA0 med en ESR på 9 mΩ i en D4-kapselstørrelse. Højere kapacitansværdier kan bidrage til en forbedret udjævning af rippel og en reduktion i antallet af kondensatorer, hvilket reducerer den samlede størrelse af løsningen.

For eksempel vil ECASD40D337M006KA0 330 µF (±20 %), 2-volts polymer aluminiums-kondensator med en ESR på 6 mΩ, når den bruges til at filtrere outputtet fra en DC/DC-konverter ved 300 kHz, producere en rippel-spænding på 13 millivolt peak-to-peak (mVp-p) sammenlignet med en ploymer aluminiums-kondensator med en ESR på 15 mΩ, som producerer en rippel-spænding på 36 mVp-p, eller en aluminiums-elektrolytkondensator med en ESR på 900 mΩ, som producerer en rippel-spænding på 950 mVp-p.

Andre eksempler på ECAS-kondensatorer omfatter ECASD40D157M009K00, der er klassificeret til 150 µF (±20%) og 2 Vdc med en ESR på 9 mΩ i et D4-tilfælde, og ECASD41C686M040KH0, der er klassificeret til 68 µF (±20%) og 16 Vdc med en ESR på 40 mΩ, også i et D4-tilfælde. Funktioner i ECAS polymer aluminiums-kondensatorer inkluderer:

• Høj kapacitans kombineret med lav ESR
• Stabil kapacitet ved påført DC-spænding/temperatur/høje frekvenser
• Fremragende rippel absorption, udjævning, transient respons
• Ingen spændingsnedsættelse nødvendig
• Eliminering af den akustiske støj fra keramiske kondensatorer (piezoeffekt)
• Polaritetsstreg (positiv) noteret på produktet
• Konstruktion til overflademontering
• RoHS-kompatibel
• Halogenfri
• MSL 3-emballage

Overvejelser om design

ECAS polymer aluminiums-elektrolytkondensatorer er optimeret til brug i strømstyrings-applikationer; de anbefales ikke til brug i tidskonstante kredsløb, koblingskredsløb eller kredsløb, der er følsomme over for lækstrømme. ECAS-kondensatorer er ikke beregnet til at blive forbundet i serie. Andre designovervejelser omfatter:

• Polaritet: Polymer aluminiums-elektrolytkondensatorer er polariserede og skal tilsluttes i den korrekte polaritet. Selv en kortvarig anvendelse af en omvendt spænding kan beskadige oxidfilmen og forringe kondensatorens ydeevne.
• Driftsspænding: Når disse kondensatorer anvendes i AC- eller rippelstrøms-kredsløb, skal spændingen fra top til top (Vp-p) eller spændingen fra offset til top (Vo-p), som omfatter DC-forspændingen, holdes inden for det nominelle spændingsområde. I koblingskredsløb, hvor der kan forekomme transiente spændinger, skal den nominelle spænding være høj nok til også at omfatte de transiente spidser.
• peak-startstrøm: Hvis der forventes en startstrøm på mere end 20 ampere (A), kræves der yderligere startstrømsbegrænsning for at opretholde den maksimale startstrøm ved 20 A.
• Rippel-strøm: Hver model i ECAS-SERIEN har specifikke rippelstrøms-klasser, som ikke må overskrides. For store rippelstrømme vil generere varme, som kan beskadige kondensatoren.
• Drifttemperatur:
  • Ved fastlæggelse af kondensatorens temperaturklassificering skal designerne tage hensyn til applikationens driftstemperatur, herunder temperaturfordelingen i udstyret og eventuelle sæsonbestemte temperaturfaktorer.
  • Kondensatorens overfladetemperatur skal holdes inden for driftstemperaturområdet, herunder kondensatorens eventuelle selvopvarmning som følge af specifikke anvendelsesfaktorer som f.eks. rippelstrømme.

Konklusion

Det er svært for designere af strømforsyningssystemer at opnå den optimale balance mellem effektivitet, ydeevne, omkostninger, stabilitet, pålidelighed og formfaktor, især når de skal forsyne store IC'er som MCU'er, ASIC'er og FPGA'er, og når de skal opfylde peak-belastningsbehov i USB-applikationer. En af hovedkomponenterne i strømforsyningens signalkæde er kondensatoren, og der er mange egenskaber ved disse enheder, som hjælper med at opfylde designernes krav - hvis den rigtige teknologi anvendes.

Som vist hjælper polymer aluminiums-kondensatorer designerne med at finde den rette balance. Deres struktur sikrer lave impedanser ved frekvenser på op til 500 kHz, lav ESR, god udjævning af rippel samt god støjundertrykkelse og afkobling på strømledninger. De lider heller ikke under begrænsninger i forbindelse med DC-biasspænding, og de er selvhelbredende, hvilket forbedrer driftssikkerheden. De har også en mere pålidelig forsyningskæde, da de ikke bruger konfliktmaterialer. Alt i alt tilbyder polymer aluminiums-kondensatorer designere en mulighed med højere ydeevne til at opfylde kravene i en lang række strømstyringssystemer.

Anbefalet læsning:

1. Grundlæggende principper: Forstå egenskaberne ved kondensatortyperne for at bruge dem hensigtsmæssigt og sikkert