Waarom en hoe aluminium-polymeercondensators gebruiken om CPU's, ASIC's, FPGA's, en USB effectief te voeden

Ontwerpers van voedingsoplossingen voor elektronische systemen en subsystemen, waaronder IC's, toepassingsspecifieke IC's (ASIC's), centrale verwerkingseenheden (CPU's) en door de gebruiker programmeerbare gate arrays (FPGA's), alsmede USB-voeding, zijn voortdurend op zoek naar manieren om de efficiëntie te verbeteren en tegelijk een stabiele, ruisvrije voeding over een breed temperatuurbereik in een compacte vormfactor te garanderen. Zij moeten de efficiëntie, stabiliteit en betrouwbaarheid verbeteren, de kosten verlagen en de vormfactor van de oplossing verkleinen. Tegelijkertijd moeten zij voldoen aan de steeds hogere vermogensvereisten van de toepassing, waaronder het afvlakken van de ingangs- en uitgangsstromen van voedingscircuits, het ondersteunen van piekvermogens en het onderdrukken van spanningsschommelingen.

Om aan deze uitdagingen het hoofd te kunnen bieden, hebben ontwerpers condensatoren nodig met een lage equivalente serieweerstand (ESR) en een lage impedantie bij hoge frequenties om de rimpels te kunnen opvangen en een soepele en snelle transiëntrespons te garanderen. Bovendien zijn zowel de operationele betrouwbaarheid als de betrouwbaarheid van de bevoorradingsketen van belang.

Als we de problemen en opties bekijken, komen polymere aluminium elektrolytische condensators naar voren als een goede oplossing, omdat zij hoge elektrische prestaties, stabiliteit, weinig ruis, betrouwbaarheid, een compacte vormfactor en een laag risico voor de toeleveringsketen bieden, omdat zij geen conflictstoffen gebruiken. Zij combineren een lage ESR (gewoonlijk gemeten in milliohms (mΩ)) en lage impedanties bij hoge frequenties (tot 500 kilohertz (kHz)), waardoor zij uitstekende prestaties leveren op het gebied van ruisonderdrukking, absorptie van rimpels en ontkoppeling van stroomleidingen. Zij hebben ook een capaciteitsstabiliteit bij hoge bedrijfsfrequenties en temperaturen.

In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de werking en de fabricage van polymere aluminium elektrolytische condensators. De prestaties van deze condensators worden vergeleken met die van alternatieve condensatortechnologieën, waarna specifieke toepassingen voor polymere aluminium elektrolytische condensators worden bekeken. Het wordt afgesloten met een overzicht van representatieve apparaten van Murata en toepassingsoverwegingen waarop ontwerpers moeten letten bij het gebruik van deze condensators.

Hoe worden aluminium-polymeercondensators gemaakt?

Aluminium-polymeercondensators hebben een kathode van geëtste aluminiumfolie, een diëlektricum van een geoxideerde aluminiumfilm en een kathode van geleidend polymeer (Afbeelding 1). Afhankelijk van het specifieke apparaat zijn zij verkrijgbaar met capaciteiten van 6,8 tot 470 microfarads (µF) en bestrijken zij een spanningsbereik van 2 tot 25 volt gelijkstroom (Vdc).

Afbeelding 1: Polymeer aluminium elektrolytische condensatormodel dat de relatie toont tussen de geëtste aluminiumfolie anode (links), het aluminium geoxideerde film diëlektricum (midden), en de geleidende polymeer kathode (rechts). (Bron afbeelding: Murata)

In de apparaten van de ECAS-serie van Murata wordt de geëtste aluminiumfolie rechtstreeks op de positieve elektrode aangebracht, terwijl het geleidende polymeer wordt bedekt met een koolstofpasta en met de negatieve elektrode wordt verbonden door middel van een geleidende zilverpasta (Afbeelding 2). De hele structuur is omhuld met een gegoten epoxyhars voor mechanische sterkte en bescherming van het milieu. Het resulterende lage profiel, oppervlaktemontagepakket is halogeenvrij en vochtgevoeligheidsniveau 3 (MSL) geclassificeerd. De meerlagige (gelamineerde) structuur van de aluminiumfolie en de geoxideerde film onderscheidt de ECAS-serie van Murata van typische elektrolytische aluminiumcondensators, zoals gewikkelde structuren van het bliktype die ofwel een polymeer ofwel een elektrolyt als kathode kunnen gebruiken.

Afbeelding 2: ECAS-serie apparaatstructuur van de aluminium-polymeercondensators met de geleidende polymeer (roze), geëtste aluminiumfolie (wit), aluminium (Al) geoxideerd film (blauw), de koolstof pasta (bruin) en zilver pasta (donkergrijs) die de geleidende polymeer verbinden met de negatieve elektrode en de epoxyhars behuizing. (Bron afbeelding: Murata)

De combinatie van de gelamineerde structuur en de materiaalkeuze maakt dat ECAS-condensators de laagste ESR hebben die voor elektrolytische condensators beschikbaar is. De aluminium-polymeercondensators van de ECAS-serie bieden capaciteiten die vergelijkbaar zijn met die van polymeer tantaalcondensators (Ta), Ta-mangaandioxidecondensators (MnO₂) en meerlagige keramische condensators (MLCCs), met ESRs die vergelijkbaar zijn met MLCCs en lager dan die van polymeer- of MnO₂ Ta-condensators (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Aluminium-polymeercondensators (ECAS-serie) hebben hogere capaciteitswaarden en vergelijkbare ESR's vergeleken met MLCC's, en lagere ESR's met vergelijkbare capaciteitswaarden als tantaal en aluminium condensatoren van het can-type. (Bron afbeelding: Murata)

Voor kostengevoelige toepassingen kunnen aluminium-polymeercondensators en Ta-condensators (MnO₂) relatief goedkope oplossingen bieden. Conventionele aluminium- of tantaalelektrolytische condensators gebruiken een elektrolyt of mangaandioxide (MnO₂) als kathode. Het gebruik van een geleidende polymeerkathode in ECAS-condensators resulteert in een lagere ESR, stabielere thermische kenmerken, een grotere veiligheid en een langere levensduur (figuur 4). MLCCs, hoewel relatief goedkoop, hebben te lijden van DC bias kenmerken die niet voorkomen in de andere condensatortechnologieën.

Afbeelding 4: Aluminium-polymeercondensators bieden de basiscombinatie van lage ESR, DC bias kenmerken, temperatuurkenmerken, levensduur en betrouwbaarheid. (Bron afbeelding: Murata)

De DC-biaskarakteristiek verwijst naar de capaciteitsverandering van een MLCC bij een toegepaste gelijkspanning. Als de toegepaste gelijkspanning toeneemt, neemt de effectieve capaciteit van de MLCC af. Wanneer de DC bias toeneemt tot enkele volts, kunnen MLCCs 40% tot 80% van hun nominale capaciteitswaarde verliezen, waardoor zij ongeschikt worden voor vele vermogensbeheertoepassingen.

De prestatiekenmerken van polymere aluminium elektrolytische condensatoren maken hen zeer geschikt voor toepassingen op het gebied van vermogensbeheer, met inbegrip van voedingen voor CPU's, ASIC's, FPGA's en andere grote IC's, en voor het ondersteunen van piekvermogensbehoeften in USB-voedingssystemen (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: In voorbeeld 1 (boven): Aluminium-polymeercondensators in een vermogensbeheercircuit dat in doeltoepassingen wordt gebruikt om rimpel te elimineren en spanningsbronnen af te vlakken en te stabiliseren. Voorbeeld 2 (onder): Aluminium-polymeercondensators kunnen piekvermogenbehoeften in USB-voedingssystemen opvangen. (Bron afbeelding: Murata)

Aluminium-polymeercondensators hebben een lage ESR, een lage impedantie en een stabiele capaciteit, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen zoals het afvlakken en elimineren van rimpel, vooral op stroomleidingen die onderhevig zijn aan grote schommelingen in de stroombelasting. In deze toepassingen kunnen aluminium-polymeercondensators worden gebruikt in combinatie met MLCCs.

Aluminium-polymeercondensators bieden vermogensbeheerfuncties, en MLCCs filteren hoogfrequente ruis op de voedingspen(nen) van IC's. Aluminium-polymeercondensators kunnen ook piekvermogens leveren in USB-voedingssystemen met behoud van een kleine printplaatvoetafdruk.

Aluminium-polymeercondensators

ECAS-aluminium-polymeercondensators zijn verkrijgbaar in vier EIA 7343 metrische behuizing maten, afhankelijk van hun ratings: D3: (7,3 millimeter (mm) x 4,3 mm x 1,4 mm hoog); D4 (7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm hoog); D6 (7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm hoog); en D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm hoog). Zij zijn verkrijgbaar in DigiReel, cut-tape en tape and reel formaat (Afbeelding 6). Andere specificaties zijn:

• Capaciteitsbereik: 6,8 µF tot 470 μF
• Capaciteitstoleranties: ±20% en +10%/-35%
• Nominale spanningen: 2 Vdc tot 16 Vdc
• ESR's: 6 mΩ tot 70 mΩ
• Bedrijfstemperatuur: -40 °C tot +105 °C

Afbeelding 6: ECAS aluminium-polymeercondensators worden aangeboden in DigiReel, cut-tape, en tape and reel formaat, en zijn verkrijgbaar in de behuizingsgrootten D3, D4, D6 en D9. (Bron afbeelding: Murata)

Murata heeft de ECAS-familie onlangs uitgebreid met apparaten van 330 µF (±20%), 6,3 volt, zoals de ECASD60J337M009KA0 met een ESR van 9 mΩ in een D4-behuizing. Hogere capaciteitswaarden kunnen bijdragen tot een betere afvlakking van de rimpel en een vermindering van het aantal vereiste condensatoren, waardoor de totale oplossing kleiner wordt.

Als de ECASD40D337M006KA0 bijvoorbeeld wordt gebruikt om de uitgang te filteren van een DC-DC-convertor die bij 300 kHz schakelt, zal de aluminium-polymeercondensator van 330 µF (±20%), 2 volt met een ESR van 6 mΩ een rimpelspanning produceren van 13 millivolt piek-tot-piek (mVp-p), vergeleken met een aluminium-polymeercondensator met een ESR van 15 mΩ, die een rimpelspanning van 36 mVp-p produceert, of een aluminium elektrolytische condensator met een ESR van 900 mΩ, die een rimpelspanning van 950 mVp-p produceert.

Andere voorbeelden van ECAS-condensators zijn de ECASD40D157M009K00, met een nominale spanning van 150 µF (±20%) en 2 Vdc en een ESR van 9 mΩ in een D4-behuizing, en de ECASD41C686M040KH0, met een nominale spanning van 68 µF (±20%) en 16 Vdc en een ESR van 40 mΩ, eveneens in een D4-behuizing. Kenmerken van ECAS aluminium-polymeercondensators zijn onder andere:

• Hoge capaciteit gecombineerd met lage ESR
• Stabiele capaciteit bij toegepaste gelijkspanning/temperatuur/hoge frequenties
• Uitstekende absorptie van rimpels, afvlakking, transiënte respons
• Geen spanningsderating nodig
• Eliminatie van het door keramische condensators veroorzaakte akoestische geluid (piëzo-effect)
• Polariteitsbalk (positief) vermeld op product
• Opbouwmontage
• RoHS-conform
• Halogeenvrij: nee
• MSL 3 verpakking

Ontwerpoverwegingen

ECAS polymeer aluminium elektrolytische condensators zijn geoptimaliseerd voor gebruik in power management toepassingen; zij worden niet aanbevolen voor gebruik in tijdconstante circuits, koppelingscircuits, of circuits die gevoelig zijn voor lekstromen. ECAS-condensators zijn niet ontworpen om in serie te worden geschakeld. Andere ontwerpoverwegingen zijn:

• Polariteit: Polymeer aluminium elektrolytische condensators zijn gepolariseerd en moeten in de juiste polariteit worden aangesloten. Zelfs een kortstondige toepassing van een sperspanning kan de oxidelaag beschadigen en de prestaties van de condensator nadelig beïnvloeden.
• Bedrijfsspanning: Wanneer deze condensators worden gebruikt in wisselstroom- of rimpelstroomcircuits, moet de piek-tot-piekspanning (Vp-p), of de offset-tot-piekspanning (Vo-p), die de DC bias omvat, binnen het nominale spanningsbereik worden gehouden. In schakelcircuits die te maken kunnen krijgen met transiënte spanningen, moet de nominale spanning hoog genoeg zijn om ook de transiënte pieken te omvatten.
• Inschakelstroom: Als een inschakelstroom van meer dan 20 ampère (A) wordt verwacht, is een extra inschakelstroombegrenzing vereist om de piekinschakelstroom op 20 A te houden.
• Rimpelspanning: Elk model van de ECAS serie heeft specifieke rimpelstroom waardes die niet overschreden mogen worden. Te hoge rimpelstromen wekken warmte op die de condensator kan beschadigen.
• Bedrijfstemperatuur:
  • Wanneer het bepalen van de temperatuurclassificatie van de condensator, moeten de ontwerpers rekening houden met de werkende temperatuur van de toepassing, met inbegrip van de temperatuurdistributie binnen het materiaal en om het even welke seizoenstemperatuurfactoren.
  • De oppervlaktetemperatuur van de condensator moet binnen het bedrijfstemperatuurbereik blijven, met inbegrip van eventuele zelfopwarming van de condensator als gevolg van de specifieke toepassingsfactoren zoals rimpelstromen.

Conclusie

Voor ontwerpers van voedingssystemen is het moeilijk om een optimaal evenwicht te vinden tussen efficiëntie, prestaties, kosten, stabiliteit, betrouwbaarheid en vormfactor, vooral bij de voeding van grote IC's zoals MCU's, ASIC's en FPGA's, en bij de ondersteuning van piekvermogensbehoeften in USB-toepassingen. Een van de belangrijkste onderdelen van de signaalketen van de voeding is de condensator, en er zijn vele kenmerken van deze apparaten die helpen aan de eisen van ontwerpers te voldoen - als de juiste technologie wordt gebruikt.

Zoals blijkt, helpen aluminium-polymeercondensatorontwerpers het juiste evenwicht te vinden. Hun structuur garandeert lage impedanties bij frequenties tot 500 kHz, lage ESR, goede rimpelafvlakking, alsmede goede ruisonderdrukking en ontkoppeling op stroomleidingen. Bovendien hebben zij geen last van DC-biasbeperkingen en zijn zij zelfherstellend, wat de bedrijfszekerheid ten goede komt. Zij hebben ook een betrouwbaardere toeleveringsketen omdat zij geen conflictmaterialen gebruiken. Alles bij elkaar bieden aluminium-polymeercondensatorontwerpers een optie met hogere prestaties om aan de vereisten van een brede waaier van vermogensbeheersystemen te voldoen.

Aanbevolen lectuur:

1. Grondbeginselen: Begrijp de eigenschappen van condensatortypes om ze op een juiste en veilige manier te gebruiken