Miksi ja miten polymeeri-alumiinikondensaattoreita käytetään suoritinyksiköiden sekä ASIC-, FPGA- ja USB-piirien tehokkaaseen virranjakeluun?

Elektronisten järjestelmien ja alijärjestelmien, kuten mikropiirien, sovelluskohtaisten mikropiirien (ASIC), suoritinyksiköiden (CPU) ja ohjelmoitavien porttimatriisien (FPGA) virranjakeluratkaisujen sekä USB-virtajärjestelmien suunnittelijat etsivät jatkuvasti tapoja parantaa hyötysuhdetta ja varmistaa samalla vakaa, häiriötön virransyöttö laajoilla lämpötila-alueilla kompaktissa muodossa. Heidän täytyy parantaa tehokkuutta, vakautta ja luotettavuutta, laskea kustannuksia ja kutistaa ratkaisun kokoa. Samanaikaisesti heidän on täytettävä sovelluksen jatkuvasti kasvavat tehovaatimukset, joihin sisältyvät virtalähdepiirien tulo- ja lähtövirtojen tasoittaminen, huipputehotarpeiden tukeminen ja jännitevaihteluiden vaimentaminen.

Suunnittelijat tarvitsevat näiden haasteiden täyttämiseen kondensaattoreita, joilla on matala ekvivalenttinen sarjavastus (ESR) ja alhainen impedanssi korkeilla taajuuksilla. Nämä parantavat aaltoilun vaimentamista ja varmistavat tasaisen ja nopean transienttivasteen. Lisäksi sekä toimintavarmuus että toimitusketjun luotettavuus ovat tärkeitä tekijöitä.

Pohdittaessa näitä kysymyksiä ja vaihtoehtoja polymeeri-alumiinielektrolyyttikondensaattorit nousevat hyväksi ratkaisuksi, koska ne tarjoavat korkean sähköisen suorituskyvyn, vakauden, alhaisen kohinan, luotettavuuden, pienen koon ja alhaisen toimitusketjuriskin, koska niissä ei käytetä konfliktimateriaaleja. Niissä yhdistyvät matala ESR (tyypillisesti milliohmien (mΩ) luokkaa) ja alhainen impedanssi korkeilla taajuuksilla (jopa 500 kilohertsiin (kHz) asti), mikä tarjoaa erinomaisen kohinan ja aaltoilun vaimennuksen sekä irtikytkentätehokkuuden virtajohdoissa. Lisäksi niiden kapasitanssi on vakaa korkeissa käyttötaajuuksissa ja lämpötiloissa.

Tässä artikkelissa esitetään yleiskatsaus polymeeri-alumiinielektrolyyttikondensaattoreiden toiminnasta ja niiden valmistuksesta. Artikkelissa verrataan näiden kondensaattoreiden suorituskykyä vaihtoehtoisten kondensaattoritekniikkojen kanssa ja sen jälkeen siinä tarkastellaan polymeeri-alumiinielektrolyyttikondensaattoreiden erityissovelluksia. Lopuksi artikkelissa tarkastellaan esimerkkinä Muratan kondensaattoreita sekä näkökohtia, jotka suunnittelijoiden on otettava huomioon näitä kondensaattoreita käytettäessä.

Miten polymeeri-alumiinikondensaattoreita valmistetaan?

Polymeeri-alumiinikondensaattoreissa on etsattu alumiinifolioanodi, alumiinioksidikalvoeriste ja johtava polymeerikatodi (kuva 1). Niitä on saatavana halutusta mallista riippuen 6,8–470 mikrofaradin (µF) kapasitansseilla, ja ne kattavat 2–25 voltin tasavirtajännitealueen (Vdc).

Kuva 1: Polymeeri-alumiinielektrolyyttikondensaattorin rakenne, jossa näkyy etsatun alumiinifolioanodin (vasemmalla), alumiinioksidikalvoeristeen (keskellä) ja johtavan polymeerikatodin (oikealla) välinen suhde. (Kuvan lähde: Murata)

Muratan ECAS-sarjan komponenteissa etsattu alumiinifolio on yhdistetty suoraan positiiviseen elektrodiin, kun taas johtava polymeeri on päällystetty hiilitahnalla ja yhdistetty johtavalla hopeatahnalla negatiiviseen elektrodiin (kuva 2). Koko rakenne on koteloitu valettuun epoksihartsiin, mikä parantaa sen mekaanista lujuutta ja ympäristöystävällisyyttä. Tuloksena on matalaprofiilinen pintaliitoskotelo, joka on halogeeniton ja kosteusherkkyystason (MSL) 3 mukainen. Alumiinifolion ja oksidikalvon monikerroksinen (laminoitu) rakenne erottaa Murata ECAS -sarjan tyypillisistä alumiinielektrolyyttikondensaattoreista, kuten sylinterityyppisistä kierrerakenteista, joissa katodina voidaan käyttää joko polymeeriä tai elektrolyyttiä.

Kuva 2: ECAS-sarjan polymeeri-alumiinikondensaattorin komponenttirakenne, jossa näkyvät johtava polymeeri (vaaleanpunainen), etsattu alumiinifolio (valkoinen), alumiinin (Al) oksidikalvo (sininen), hiilitahna (ruskea) ja hopeatahna (tummanharmaa), joka yhdistää johtavan polymeerin negatiiviseen elektrodiin. Lisäksi näytetään epoksihartsikotelo. (Kuvan lähde: Murata)

Laminoidun rakenteen ja materiaalivalintojen ansiosta ECAS-kondensaattoreilla on elektrolyyttikondensaattoreiden matalin ESR-arvo. ECAS-sarjan polymeeri-alumiinikondensaattoreiden kapasitanssit ovat vertailukelpoisia polymeeri-tantaalikondensaattoreiden (Ta), tantaali-mangaanidioksidi (MnO₂) -kondensaattoreiden ja monikerroksisten keraamisten kondensaattoreiden (MLCC) kanssa. Niiden ESR-arvot ovat vastaavia kuin MLCC-kondensaattorien ja matalampia kuin polymeeri- tai tantaali-MnO₂-kondensaattorien (kuva 3).

Kuva 3: Polymeeri-alumiinikondensaattoreilla (ECAS-sarja) on MLCC-kondensaattoreita korkeammat kapasitanssiarvot ja niitä vastaavat ESR-arvot, sekä matalammat ESR-arvot vastaavalla kapasitanssilla tantaali- ja sylinterityyppisiin alumiinikondensaattoreihin verrattuna. (Kuvan lähde: Murata)

Alumiinielektrolyyttikondensaattorit ja tantaalikondensaattorit (MnO₂) voivat tarjota kustannusherkkiin sovelluksiin suhteellisen edullisen ratkaisun. Tavanomaisissa alumiini- tai tantaalielektrolyyttikondensaattoreissa käytetään katodina elektrolyyttiä tai mangaanidioksidia (MnO₂). Johtavan polymeerikatodin käyttö ECAS-kondensaattoreissa johtaa matalampaan ESR-arvoon, vakaampiin lämpöominaisuuksiin, parempaan turvallisuuteen ja pidempään käyttöikään (kuva 4). MLCC-kondensaattorit ovat suhteellisen edullisia, mutta ne kärsivät DC-biasriippuvuudesta, joita ei esiinny muissa kondensaattoritekniikoissa.

Kuva 4: Polymeeri-alumiinikondensaattorit tarjoavat matalan ESR-arvon, DC-biasriippuvuuden, lämpötilaominaisuuksien, käyttöiän ja luotettavuuden perusyhdistelmän. (Kuvan lähde: Murata)

DC-biasriippuvuudella tarkoitetaan MLCC-kondensaattorin kapasitanssin muutosta tasajännitteen mukaan. Kun kytketty tasajännite kasvaa, MLCC-kondensaattorin tehollinen kapasitanssi pienenee. Kun DC-biasjännite kasvaa muutamaan volttiin, MLCC-kondensaattorit voivat menettää 40–80 prosenttia nimelliskapasitanssiarvosta. Tästä syystä ne eivät tavallisesti sovellu tehonhallintasovelluksiin.

Polymeeri-alumiinielektrolyyttikondensaattorit soveltuvat niiden suorituskykyominaisuuksien ansiosta hyvin tehonhallintasovelluksiin, kuten prosessorien, ASIC-, FPGA- ja muiden suurikokoisten mikropiirien virtalähteisiin sekä USB-virtajärjestelmien huipputehontarpeiden tueksi (kuva 5).

Kuva 5: Esimerkki 1 (ylempi): Polymeeri-alumiinikondensaattorit tehonhallintapiirissä, jota käytetään kohdesovelluksissa aaltoilun eliminointiin ja jännitelähteiden tasaamiseen ja vakauttamiseen. Esimerkki 2 (alempi): Polymeeri-alumiinikondensaattorit voivat tukea huipputehotarvetta USB-virtajärjestelmissä. (Kuvan lähde: Murata)

Polymeeri-alumiinikondensaattoreilla on matala ESR, alhainen impedanssi ja vakaa kapasitanssi. Näiden ansiosta ne soveltuvat esimerkiksi aaltoilun vakauttamiseen ja eliminointiin erityisesti sellaisissa virtajohdoissa, joissa kuorman virta vaihtelee suuresti. Näissä sovelluksissa polymeeri-alumiinikondensaattoreita voidaan käyttää yhdessä MLCC-kondensaattoreiden kanssa.

Polymeeri-alumiinikondensaattorit tarjoavat tehonhallintatoiminnot, ja MLCC-kondensaattorit suodattavat suurtaajuisen kohinan mikropiirin virtanastoista. Polymeeri-alumiinikondensaattorit voivat myös tukea USB-virtajärjestelmien huipputehotarpeita. Samalla ne vaativat vain vähän tilaa piirilevyltä.

Polymeeri-alumiinikondensaattorit

ECAS-sarjan polymeeri-alumiinikondensaattoreita on saatavana neljänä metrisenä EIA 7343 -kotelokokona niiden nimellisarvojen mukaan: D3: (7,3 millimetriä (mm) x 4,3 mm x 1,4 mm korkea); D4 (7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm korkea); D6 (7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm korkea); ja D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm korkea). Niitä on saatavilla DigiReel-, leikattava nauha- sekä nauha ja kela -muodoissa (kuva 6). Muita teknisiä tietoja ovat mm:

• Kapasitanssialue: 6,8–470 μF
• Kapasitanssin toleranssit: ±20 % ja +10 %/-35 %.
• Nimellisjännitteet: 2–16 Vdc
• ESR-arvo: 6–70 mΩ
• Toimintalämpötila: -40°C ... +105 °C

Kuva 6: ECAS-sarjan polymeeri-alumiinikondensaattoreita on saatavana DigiReel-, leikattava nauha- sekä nauha ja kela -muodoissa sekä kotelokokoina D3, D4, D6 ja D9. (Kuvan lähde: Murata)

Murata on hiljattain laajentanut ECAS-tuotesarjaa 330 µF:n (±20 %) ja 6,3 voltin kondensaattoreilla, kuten ECASD60J337M009KA0, jonka ESR on 9 mΩ ja kotelokoko D4. Korkeammilla kapasitanssiarvoilla voidaan parantaa aaltoilun vakautusta ja vähentää tarvittavien kondensaattoreiden määrää, mikä pienentää ratkaisun kokonaiskokoa.

Kun esimerkiksi 300 kHz:n taajuudella toimivan DC-DC-muuntimen lähtöä suodatetaan, 330 µF:n (±20 %) ja 2 voltin polymeeri-alumiinikondensaattori ECASD40D337M006KA0, jonka ESR on 6 mΩ, tuottaa 13 millivoltin rippelijännitteen huipusta huippuun (mVp-p). Sen sijaan alumiini-polymeerikondensaattori, jonka ESR on 15 mΩ, tuottaa tällöin 36 mVp-p:n rippelijännitteen, ja alumiinielektrolyyttikondensaattori, jonka ESR on 900 mΩ, tuottaa 950 mVp-p:n rippelijännitteen.

Muita esimerkkejä ECAS-kondensaattoreista ovat ECASD40D157M009K00, jonka nimellisarvot ovat 150 µF (±20 %) ja 2 Vdc ja jonka ESR on 9 mΩ D4-kotelossa, sekä ECASD41C686M040KH0, joka nimellisarvot ovat 68 µF (±20 %) ja 16 Vdc ja jonka ESR on 40 mΩ, niin ikään D4-kotelossa. ECAS-sarjan polymeeri-alumiinikondensaattoreiden ominaisuuksiin kuuluvat:

• Korkea kapasitanssi yhdistettynä matalaan ESR-arvoon
• Vakaa kapasitanssi suhteessa käytettyyn tasajännitteeseen/lämpötilaan/korkeisiin taajuuksiin
• Erinomainen aaltoilun vaimennus, vakautus ja transienttivaste
• Jännitteen alennus ei tarpeellista
• Keraamisten kondensaattoreiden aiheuttaman akustisen melun eliminointi (pietsosähköinen ilmiö)
• Tuotteeseen merkitty polariteetti-indikaattori (positiivinen)
• Pintaliitosrakenne
• RoHS-direktiivin mukainen
• Halogeeniton
• MSL 3 -kotelo

Suunnitteluun liittyviä näkökohtia

ECAS-sarjan polymeeri-alumiinielektrolyyttikondensaattorit on optimoitu käyttöön tehonhallintasovelluksissa. Niitä suositella käytettäväksi aikavakiopiireissä, kytkentäpiireissä tai vuotovirroille herkissä piireissä. ECAS-kondensaattoreita ei ole tarkoitettu kytkettäväksi sarjaan. Muita suunnittelussa huomioon otettavia ominaisuuksia ovat:

• Polariteetti: Polymeeri-alumiinielektrolyyttikondensaattorit ovat polarisoituja, ja ne on liitettävä oikeaan polariteettiin. Jopa hetkellinen käänteisen jännitteen kytkeminen voi vahingoittaa oksidikalvoa ja heikentää kondensaattorin suorituskykyä.
• Käyttöjännite: Kun näitä kondensaattoreita käytetään AC- tai rippelivirtapiireissä, huipusta huippuun -jännite (Vp-p) ja offsetjännitteestä huippuun -jännite (Vo-p), mikä sisältää DC-biasjännitteen, on pidettävä nimellisjännitealueella. Kytkentäpiireissä, joissa voi esiintyä transienttijännitteitä, nimellisjännitteen on oltava riittävän korkea, jotta se kattaa myös transienttipiikit.
• Kytkentävirta: Jos kytkentävirta saattaa ylittää 20 ampeeria (A), tarvitaan ylimääräinen kytkentävirran rajoitus, joka rajoittaa virtapiikin arvoon 20 A.
• Rippelivirta: Kullekin ECAS-sarjan mallille on määritetty tietty nimellisrippelivirta, jota ei saa ylittää. Liian suuret rippelivirrat synnyttävät lämpöä, joka voi vahingoittaa kondensaattoria.
• Käyttölämpötila:
  • Kondensaattorin lämpötilaluokitusta määrittäessään suunnittelijoiden on otettava huomioon käyttökohteen käyttölämpötila sekä laitteen sisäinen lämpötilajakauma ja mahdolliset kausiluonteiset lämpötilatekijät.
  • Kondensaattorin pintalämpötilan on pysyttävä käyttölämpötila-alueella. Tämä koskee myös kondensaattorin itselämpenemistä, jota aiheuttavat erityiset käyttöön liittyvät tekijät, kuten rippelivirrat.

Yhteenveto

Virranjakelujärjestelmien suunnittelijoiden on vaikea saavuttaa optimaalinen tasapaino tehokkuuden, suorituskyvyn, kustannusten, vakauden, luotettavuuden ja koon välillä erityisesti silloin, kun kyseessä on suurikokoisten mikropiirien, kuten mikrokontrollerin tai ASIC- tai FPGA-piirin, virranjakelu ja tuettaessa USB-käytön huipputehontarpeita. Yksi virtalähteen signaaliketjun pääkomponenteista on kondensaattori. Näillä komponenteilla on monia ominaisuuksia, jotka auttavat täyttämään suunnittelijoiden vaatimukset – jos käytetään oikeaa tekniikkaa.

Kuten edellä on näytetty, polymeeri-alumiinikondensaattorit auttavat suunnittelijoita löytämään oikean tasapainon. Niiden rakenne takaa alhaisen impedanssin jopa 500 kHz:n taajuudella, matalan ESR-arvon, hyvän aaltoilun vaimennuksen sekä kohinanvaimennuksen ja virtajohtojen erotuksen. Ne eivät myöskään kärsi DC-biasjänniterajoituksista, ja ne ovat itsekorjautuvia, mikä parantaa toimintavarmuutta. Myös niiden toimitusketju on luotettavampi, koska näissä tuotteissa ei käytetä konfliktimateriaaleja. Polymeeri-alumiinikondensaattorit tarjoavat suunnittelijoille kaiken kaikkiaan suorituskykyisemmän vaihtoehdon, jolla voidaan vastata monenlaisten tehonhallintajärjestelmien vaatimuksiin.

Suositeltavaa luettavaa:

1. Perusteet: Ymmärrä kondensaattorityyppien ominaisuudet, jotta voit käyttää niitä asianmukaisesti ja turvallisesti