Proč a jak používat polymerové hliníkové kondenzátory k efektivnímu napájení CPU, ASIC, FPGA a USB

Konstruktéři řešení dodávání napájení pro elektronické systémy a subsystémy, včetně integrovaných obvodů (IC), integrovaných obvodů specifických pro aplikace (ASIC), centrálních procesorových jednotek (CPU) a programovatelných hradlových polí (FPGA) stejně jako napájení USB, hledají neustále způsoby, jak zvýšit účinnost a zároveň zajistit stabilní a nehlučný výkon v širokém rozsahu teplot v kompaktním tvarovém faktoru. Potřebují zlepšit účinnost, stabilitu a spolehlivost, snížit náklady a zmenšit tvarový faktor řešení. Zároveň musí splňovat stále se zvyšující požadavky na výkon aplikace, včetně vyhlazování vstupních a výstupních proudů napájecích obvodů, podpory špičkových nároků na napájení a potlačení kolísání napětí.

Ke splnění těchto výzev potřebují konstruktéři kondenzátory, které mají nízký ekvivalentní sériový odpor (ESR) a nízkou impedanci při vysokých frekvencích, aby podpořily absorpci zvlnění a zajistily hladkou a rychlou přechodovou odezvu. Kromě toho je důležitá jak provozní spolehlivost, tak spolehlivost dodavatelského řetězce.

Při pohledu na problémy a možnosti se jako dobré řešení ukazují polymerové hliníkové elektrolytické kondenzátory, protože se vyznačují vysokým elektrickým výkonem, stabilitou, nízkou hlučností, spolehlivostí, kompaktním tvarovým faktorem a nízkým rizikem dodavatelského řetězce, protože nevyužívají konfliktní materiály. Kombinují nízký ESR (obvykle měřený v mΩ) a nízké impedance při vysokých frekvencích (až 500 kHz), poskytují vynikající potlačení šumu, absorpci zvlnění a oddělovací výkon na elektrických vedeních. Mají také kapacitní stabilitu při vysokých provozních frekvencích a teplotách.

Tento článek představuje přehled toho, jak fungují polymerové hliníkové elektrolytické kondenzátory a jak se vyrábějí. V článku je porovnán výkon těchto kondenzátorů s alternativními technologiemi kondenzátorů, a poté se v článku podíváme na konkrétní aplikace pro polymerové hliníkové elektrolytické kondenzátory. Článek je uzavřen recenzí reprezentativních zařízení od společnosti Murata a aspekty týkajícími se aplikací, kterých si musí být konstruktéři při používání těchto kondenzátorů vědomi.

Jak se vyrábí polymerové hliníkové kondenzátory?

Polymerové hliníkové kondenzátory mají katodu z leptané hliníkové fólie, dielektrikum z vrstvy oxidovaného hliníku a vodivou polymerovou katodu (obrázek 1). V závislosti na konkrétním zařízení jsou k dispozici s kapacitami od 6,8 do 470 µF a pokrývají rozsah napětí od 2 do 25 V DC.

Obrázek 1: Model polymerového hliníkového elektrolytického kondenzátoru ukazující vztah mezi anodou z leptané hliníkové fólie (vlevo), dielektrikem z vrstvy oxidovaného hliníku (uprostřed) a katodou z vodivého polymeru (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Murata)

V zařízeních řady ECAS společnosti Murata je leptaná hliníková fólie připevněna přímo ke kladné elektrodě, zatímco vodivý polymer je pokryt uhlíkovou pastou a připojen k záporné elektrodě pomocí vodivé stříbrné pasty (obrázek 2). Celá konstrukce je z důvodu mechanické pevnosti a ochrany životního prostředí obalena lisovanou epoxidovou pryskyřicí. Výsledný nízkoprofilový balíček pro povrchovou montáž neobsahuje halogeny a má úroveň citlivosti na vlhkost (MSL) 3. Vícevrstvá (laminovaná) struktura hliníkové fólie a oxidované vrstvy odlišuje řadu ECAS společnosti Murata od typických hliníkových elektrolytických kondenzátorů, jako jsou vinuté struktury plechovkového typu, které mohou jako katodu používat buď polymer, nebo elektrolyt.

Obrázek 2: Struktura zařízení polymerového hliníkového kondenzátoru řady ECAS zobrazující vodivý polymer (růžový), leptanou hliníkovou fólii (bílá), hliníkovou (Al) oxidovanou vrstvu (modrá), uhlíkovou pastu (hnědá) a stříbrnou pastu (tmavě šedá), které spojují vodivý polymer se zápornou elektrodou a pouzdrem z epoxidové pryskyřice. (Zdroj obrázku: společnost Murata)

Kombinace laminované struktury a výběru materiálů umožňuje kondenzátorům ECAS mít nejnižší dostupný ESR pro elektrolytické kondenzátory. Polymerové hliníkové kondenzátory řady ECAS poskytují kapacity srovnatelné s polymerovými tantalovými (Ta) kondenzátory, Ta kondenzátory s oxidem manganičitým (MnO₂) a vícevrstvými keramickými kondenzátory (MLCC) s ESR, které jsou srovnatelné s kondenzátory MLCC a nižší než u polymerových nebo Ta MnO₂ kondenzátorů (obrázek 3).

Obrázek 3: Polymerové hliníkové kondenzátory (řady ECAS) mají vyšší hodnoty kapacity a srovnatelné ESR s MLCC a nižší ESR a srovnatelnou kapacitu jako tantalové a hliníkové kondenzátory plechovkového typu. (Zdroj obrázku: společnost Murata)

Pro aplikace citlivé na náklady mohou poskytovat relativně levná řešení hliníkové elektrolytické kondenzátory a Ta (MnO₂) kondenzátory. Běžné hliníkové nebo tantalové elektrolytické kondenzátory používají jako katodu elektrolyt nebo oxid manganičitý (MnO₂). Použití vodivé polymerové katody v kondenzátorech ECAS má za následek nižší ESR, stabilnější tepelné charakteristiky, lepší bezpečnost a delší životnost (obrázek 4). MLCC, i když jsou relativně levné, trpí charakteristikami stejnosměrného předpětí, které se u jiných technologií kondenzátorů nevyskytují.

Obrázek 4: Polymerové hliníkové kondenzátory poskytují základní kombinaci nízkého ESR, charakteristik stejnosměrného předpětí, teplotních charakteristik, životnosti a spolehlivosti. (Zdroj obrázku: společnost Murata)

Charakteristika stejnosměrného předpětí se týká změny kapacity MLCC s aplikovaným stejnosměrným napětím. Se zvyšujícím se použitým stejnosměrným napětím klesá efektivní kapacita MLCC. Když se stejnosměrné předpětí zvýší na několik voltů, mohou MLCC ztratit 40 % až 80 % své nominální hodnoty kapacity, a jsou proto nevhodné pro mnoho aplikací řízení spotřeby energie.

Výkonové charakteristiky polymerových hliníkových elektrolytických kondenzátorů je činí vhodnými pro aplikace řízení spotřeby energie, včetně napájecích zdrojů pro CPU, ASIC, FPGA a další velké integrované obvody i pro podporu požadavků na špičkový výkon v napájecích systémech USB (obrázek 5).

Obrázek 5: Příklad 1 („Ex 1“, nahoře): Polymerové hliníkové kondenzátory v obvodu řízení spotřeby energie používané v cílových aplikacích k eliminaci zvlnění a vyhlazení a ke stabilizaci zdrojů napětí. Příklad 2 („Ex. 2“, dole): Polymerové hliníkové kondenzátory mohou podporovat potřeby špičkového výkonu v napájecích systémech USB. (Zdroj obrázku: společnost Murata)

Polymerové hliníkové kondenzátory mají nízký ESR, nízkou impedanci a stabilní kapacitu, díky čemuž jsou vhodné pro aplikace, jako je vyhlazování a eliminace zvlnění, zejména na elektrických vedeních vystavených velkým výkyvům proudového zatížení. V těchto aplikacích lze použít polymerové hliníkové kondenzátory v kombinaci s MLCC.

Polymerové hliníkové kondenzátory poskytují funkce řízení spotřeby energie a MLCC filtrují vysokofrekvenční šum na napájecím pinu (pinech) integrovaných obvodů. Polymerové hliníkové kondenzátory mohou také podporovat potřeby špičkového napájení v napájecích systémech USB při zachování malého půdorysu na desce plošných spojů.

Polymerové hliníkové kondenzátory

Polymerové hliníkové kondenzátory ECAS jsou k dispozici ve čtyřech metrických velikostech pouzdra EIA 7343 v závislosti na svých jmenovitých hodnotách: D3 (7,3 × 4,3 × 1,4 mm vysoké), D4 (7,3 × 4,3 × 1,9 mm vysoké), D6 (7,3 × 4,3 × 2,8 mm vysoké) a D9 (7,3 × 4,3 × 4,2 mm vysoké). Jsou k dispozici ve formátech DigiReel, řezané pásky a pásky a cívky (obrázek 6). Mezi další technické údaje patří:

• Rozsah kapacity: 6,8 až 470 μF
• Tolerance kapacity: ±20 % a +10 % / −35 %
• Jmenovitá napětí: 2 až 16 V DC
• ESR: 6 až 70 mΩ
• Provozní teplota: −40 až +105 °C

Obrázek 6: Polymerové hliníkové kondenzátory ECAS se nabízejí ve formátech DigiReel, řezané pásky a pásky a cívky a dodávají se ve velikostech pouzdra D3, D4, D6 a D9. (Zdroj obrázku: společnost Murata)

Společnost Murata nedávno rozšířila řadu ECAS o 6,3voltová zařízení 330 µF (±20 %), jako je např. model ECASD60J337M009KA0 s ESR 9 mΩ ve velikosti pouzdra D4. Vyšší hodnoty kapacity mohou přispět k lepšímu vyhlazení zvlnění a snížení počtu požadovaných kondenzátorů, čímž se zmenší celková velikost řešení.

Například při použití k filtrování výstupu DC-DC převodníku přepínajícího při 300 kHz bude 2voltový polymerový hliníkový kondenzátor ECASD40D337M006KA0 330 µF (±20 %) s ESR 6 mΩ produkovat zvlněné napětí 13 mVš-š ve srovnání s polymerovým hliníkovým kondenzátorem s ESR 15 mΩ, který vytváří zvlněné napětí 36 mVš-š nebo hliníkovým elektrolytickým kondenzátorem s ESR 900 mΩ, který vytváří zvlněné napětí 950 mVš-š.

Mezi další příklady kondenzátorů ECAS patří model ECASD40D157M009K00, dimenzovaný na 150 µF (±20 %) a 2 V DC s ESR 9 mΩ v pouzdře D4, a model ECASD41C686M040KH0, dimenzovaný na 68 µF (±20 %) a 16 V DC s ESR 40 mΩ také v pouzdře D4. Mezi funkce polymerových hliníkových kondenzátorů ECAS patří:

• Vysoká kapacita v kombinaci s nízkým ESR
• Stabilní kapacita s aplikovaným stejnosměrným napětím / teplotou / vysokými frekvencemi
• Vynikající absorpce zvlnění, vyhlazování, přechodná odezva
• Není vyžadováno snížení napětí
• Eliminace akustického hluku vytvářeného keramickými kondenzátory (piezo efekt)
• Proužek polarity (kladný) vyznačený na produktu
• Konstrukce pro povrchovou montáž
• Odpovídá směrnici RoHS
• Bez halogenů
• Balení MSL 3

Aspekty návrhu

Polymerové hliníkové elektrolytické kondenzátory ECAS jsou optimalizovány pro použití v aplikacích řízení spotřeby energie. Nedoporučují se pro použití v obvodech s časovou konstantou, vazebních obvodech nebo obvodech citlivých na svodové proudy. Kondenzátory ECAS nejsou určeny k sériovému zapojení. Mezi další aspekty návrhu patří:

• Polarita: Polymerové hliníkové elektrolytické kondenzátory jsou polarizované a musí být zapojeny se správnou polaritou. I chvilková aplikace zpětného napětí může poškodit oxidovou vrstvu a zhoršit výkon kondenzátoru.
• Provozní napětí: Když se tyto kondenzátory použijí v obvodech střídavého nebo zvlněného proudu, musí být napětí špička-špička (Vš-š) nebo napětí offset-špička (Vo-š), které zahrnuje stejnosměrné předpětí, udržováno v rámci rozsahu jmenovitého napětí. Ve spínacích obvodech, které mohou zaznamenat přechodná napětí, musí být jmenovité napětí dostatečně vysoké, aby zahrnovalo také přechodové špičky.
• Náběhový proud: Pokud se očekává náběhový proud přesahující 20 A, je nutné dodatečné omezení náběhových proudů, aby se špičkový náběh udržoval na 20 A.
• Zvlněný proud: Každý model řady ECAS má specifické jmenovité hodnoty zvlnění proudu, které se nesmí překročit. Nadměrné zvlněné proudy budou generovat teplo, které může kondenzátor poškodit.
• Provozní teplota:
  • Při určování teplotní jmenovité hodnoty kondenzátoru musí vzít konstruktéři v úvahu provozní teplotu aplikace, včetně rozložení teploty v zařízení a jakýchkoli sezónních teplotních faktorů.
  • Povrchová teplota kondenzátoru musí zůstat v rozsahu provozních teplot, včetně jakéhokoli samovolného zahřívání kondenzátoru v důsledku specifických aplikačních faktorů, jako jsou zvlněné proudy.

Závěr

Pro konstruktéry systémů dodávání napájení je obtížné dosáhnout optimální rovnováhy mezi účinností, výkonem, cenou, stabilitou, spolehlivostí a tvarovým faktorem, zejména při napájení velkých integrovaných obvodů, jako jsou MCU, ASIC a FPGA, a při podpoře špičkových potřeb napájení v aplikacích USB. Jednou z hlavních součástí signálového řetězce napájecího zdroje je kondenzátor a existuje mnoho charakteristik těchto zařízení, které pomáhají splnit požadavky konstruktérů – pokud je použita správná technologie.

Jak je ukázáno výše, polymerové hliníkové kondenzátory pomáhají konstruktérům najít správnou rovnováhu. Jejich struktura zajišťuje nízké impedance při frekvencích až do 500 kHz, nízký ESR, dobré vyhlazování zvlnění a také dobré potlačení šumu a oddělení na napájecích vedeních. Také netrpí omezeními stejnosměrného předpětí a jsou samoopravné, čímž zlepšují provozní spolehlivost. Mají také spolehlivější dodavatelský řetězec, protože v nich nejsou použity konfliktní materiály. Celkově vzato nabízejí polymerové hliníkové kondenzátory konstruktérům možnost vyššího výkonu pro řešení požadavků široké škály systémů řízení spotřeby energie.

Doporučená literatura:

1. Základy: Porozumění vlastnostem jednotlivých typů kondenzátorů s cílem jejich vhodného a bezpečného používání