Przyczyny i sposób użycia kondensatorów aluminiowo-polimerowych do efektywnego zasilania procesorów, układów ASIC, FPGA i USB

Projektanci rozwiązań zasilania do systemów i podsystemów elektronicznych, w tym układów scalonych, specjalizowanych układów scalonych (ASIC), procesorów (CPU) i bezpośrednio programowalnych macierzy bramek (FPGA), a także zasilania USB, nieustannie poszukują sposobów poprawy sprawności przy jednoczesnym zapewnieniu stabilnego, wolnego od zakłóceń zasilania w szerokim zakresie temperatur w kompaktowej obudowie. Muszą poprawić sprawność, stabilność i niezawodność, obniżyć koszty i zmniejszyć rozmiary rozwiązania. Jednocześnie muszą spełniać stale rosnące wymagania dotyczące parametrów zasilania w danym zastosowaniu, w tym wygładzać prądy wejściowe i wyjściowe obwodów zasilających, obsługiwać szczytowe zapotrzebowanie na moc i tłumić wahania napięcia.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci potrzebują kondensatorów o niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) i niskiej impedancji przy wysokich częstotliwościach, które absorbują tętnienia i zapewniają płynną i szybką odpowiedź impulsową. Ponadto ważna jest zarówno niezawodność działania, jak i niezawodność łańcucha dostaw.

Analizując problemy i opcje, dobrym rozwiązaniem okazują się elektrolityczne kondensatory aluminiowo-polimerowe , ponieważ charakteryzują się wysokimi parametrami elektrycznymi, stabilnością, niskim poziomem zakłóceń, niezawodnością, kompaktowymi rozmiarami i niskim ryzykiem związanym z łańcuchem dostaw, ponieważ nie wykorzystują materiałów powodujących konflikty. Łączą w sobie niską równoważną rezystancję szeregową (ESR) (zwykle mierzoną w mΩ) i niską impedancję przy wysokich częstotliwościach (do 500kHz), zapewniając doskonałe tłumienie zakłóceń, absorbowanie tętnień oraz odsprzęganie na liniach zasilania. Charakteryzują się również stabilnością pojemności przy wysokich częstotliwościach roboczych i temperaturach.

W artykule omówiono działanie elektrolitycznych kondensatorów aluminiowo-polimerowych i sposób ich wytwarzania. Porównano parametry działania tych kondensatorów z alternatywnymi technologiami kondensatorów, a w dalszej części przedstawiono konkretne zastosowania elektrolitycznych kondensatorów aluminiowo-polimerowych. Artykuł kończy się przeglądem reprezentatywnych urządzeń firmy Murata i zagadnień związanych z zastosowaniami , o których projektanci muszą pamiętać podczas korzystania z tych kondensatorów.

Jak powstają kondensatory aluminiowo-polimerowe?

Kondensatory aluminiowo-polimerowe mają wytrawioną anodę z folii aluminiowej, dielektryk z utlenionej folii aluminiowej i przewodzącą katodę polimerową (ilustracja 1). W zależności od konkretnego urządzenia, dostępne są pojemności od 6,8 do 470µF i napięcia w zakresie od 2 do 25V prądu stałego (=).

Ilustracja 1: model elektrolitycznego kondensatora aluminiowo-polimerowego przedstawiający zależność między wytrawioną anodą z folii aluminiowej (po lewej), dielektrykiem z utlenionej folii aluminiowej (w środku) i przewodzącą katodą polimerową (po prawej). (Źródło ilustracji: Murata)

W urządzeniach serii ECAS firmy Murata wytrawiona folia aluminiowa jest przymocowana bezpośrednio do elektrody dodatniej, podczas gdy przewodzący polimer jest pokryty pastą węglową i połączony z elektrodą ujemną za pomocą przewodzącej pasty srebrowej (ilustracja 2). Cała konstrukcja jest zamknięta w formowanej żywicy epoksydowej, która zapewnia wytrzymałość mechaniczną i ochronę przed wpływem otoczenia. Powstała niskoprofilowa obudowa do montażu powierzchniowego nie zawiera halogenów i ma poziom wrażliwości na wilgoć 3 (MSL). Wielowarstwowa (laminowana) struktura folii aluminiowej i folii utlenionej odróżnia serię ECAS firmy Murata od typowych aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych, takich jak puszkowe konstrukcje zwijane, które jako katodę mogą wykorzystywać polimer lub elektrolit.

Ilustracja 2: konstrukcja kondensatora aluminiowo-polimerowego serii ECAS przedstawiająca polimer przewodzący (kolor różowy), wytrawioną folię aluminiową (kolor biały), utlenioną folię aluminiową (Al) (kolor niebieski), pastę węglową (kolor brązowy) i pastę srebrną (kolor ciemnoszary), które łączą polimer przewodzący z elektrodą ujemną i obudową z żywicy epoksydowej. (Źródło ilustracji: Murata)

Połączenie laminowanej konstrukcji i doboru materiałów sprawia, że kondensatory ECAS charakteryzują się najniższą równoważną rezystancją szeregową (ESR) dostępną dla kondensatorów elektrolitycznych. Kondensatory aluminiowo-polimerowe serii ECAS zapewniają pojemności porównywalne z kondensatorami tantalowo-polimerowymi (Ta), kondensatorami z dwutlenku manganu (MnO₂) i tantalu i wielowarstwowymi kondensatorami ceramicznymi (MLCC). Ich równoważna rezystancja szeregowa jest porównywalna z kondensatorami MLCC i niższa od kondensatorów polimerowych lub kondensatorów z dwutlenku manganu (MnO₂) i tantalu (ilustracja 3).

Rysunek 3: kondensatory aluminiowo-polimerowe (serii ECAS) charakteryzują się wyższymi wartościami pojemności i porównywalną równoważną rezystancją szeregową (ESR) w stosunku do wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) oraz niższą równoważną rezystancją szeregową (ESR) i porównywalną pojemnością w stosunku do kondensatorów tantalowych i aluminiowych typu puszkowego. (Źródło ilustracji: Murata)

W przypadku zastosowań, w których dużą rolę odgrywa budżet, aluminiowe kondensatory elektrolityczne i kondensatory tantalowe (MnO₂) mogą stanowić stosunkowo niedrogie rozwiązania. Konwencjonalne kondensatory elektrolityczne aluminiowe lub tantalowe jako katodę wykorzystują elektrolit lub dwutlenek manganu (MnO₂). Zastosowanie przewodzącej katody polimerowej w kondensatorach ECAS skutkuje niższą równoważną rezystancją szeregową (ESR), bardziej stabilną charakterystyką termiczną, poprawą bezpieczeństwa i dłuższym okresem użytkowania (ilustracja 4). Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) są stosunkowo niedrogie, jednak posiadają charakterystykę polaryzacyjną prądu stałego niespotykaną w innych technologiach kondensatorów.

Ilustracja 4: kondensatory aluminiowo-polimerowe zapewniają podstawową kombinację niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR), charakterystyki polaryzacyjnej prądu stałego, charakterystyki temperaturowej, okresu użytkowania i niezawodności. (Źródło ilustracji: Murata)

Charakterystyka polaryzacyjna prądu stałego odnosi się do zmiany pojemności wielowarstwowego kondensatora ceramicznego (MLCC) w stosunku do przyłożonego napięcia prądu stałego. Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia prądu stałego zmniejsza się efektywna pojemność wielowarstwowego kondensatora ceramicznego (MLCC). Gdy polaryzacja prądu stałego wzrasta do kilku woltów, wielowarstwowy kondensator ceramiczny (MLCC) może stracić od 40% do 80% swojej nominalnej pojemności, co czyni go nieodpowiednim do wielu zastosowań związanych z zarządzaniem zasilaniem.

Charakterystyka parametrów działania elektrolitycznych kondensatorów aluminiowo-polimerowych sprawia, że dobrze nadają się do zastosowań związanych z zarządzaniem zasilaniem, w tym zasilaczy procesorów, specjalizowanych układów scalonych (ASIC), bezpośrednio programowalnych macierzy bramek (FPGA) i innych dużych układów scalonych, a także do obsługi szczytowego zapotrzebowania na moc w układach zasilania USB (ilustracja 5).

Rysunek 5: przykład 1 (u góry): kondensatory aluminiowo-polimerowe w obwodzie zarządzania zasilaniem używane są w docelowych zastosowaniach do wyeliminowania tętnień i wygładzenia oraz stabilizacji źródeł napięcia. Przykład 2 (u dołu): kondensatory aluminiowo-polimerowe mogą zaspokoić szczytowe zapotrzebowanie na moc w systemach zasilania USB. (Źródło ilustracji: Murata)

Kondensatory aluminiowo-polimerowe mają niską równoważną rezystancję szeregową (ESR), niską impedancję i stabilną pojemność, dzięki czemu nadają się do zastosowań takich jak wygładzanie i eliminowanie tętnień, szczególnie w liniach zasilających podlegających dużym wahaniom prądu obciążenia. W tych zastosowaniach kondensatory aluminiowo-polimerowe mogą być używane w połączeniu z wielowarstwowymi kondensatorami ceramicznymi (MLCC).

Kondensatory aluminiowo-polimerowe obsługują funkcje zarządzania zasilaniem, a wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) filtrują zakłócenia wysokiej częstotliwości na wtykach zasilania układów scalonych. Kondensatory aluminiowo-polimerowe mogą również obsługiwać szczytowe zapotrzebowanie mocy w systemach zasilania USB, zajmując jednocześnie niewielką powierzchnię na płytce drukowanej.

Kondensator aluminiowo-polimerowy

Kondensatory aluminiowo-polimerowe ECAS są dostępne w czterech metrycznych rozmiarach obudowy EIA 7343, w zależności od ich wartości znamionowych: D3: (7,3mm x 4,3mm x 1,4mm wysokości); D4 (7,3mm x 4,3mm x 1,9mm wysokości); D6 (7,3mm x 4,3mm x 2,8mm wysokości); i D9 (7,3mm x 4,3mm x 4,2mm wysokości). Są one dostępne na szpuli DigiReel, na taśmie ciętej lub w postaci taśmy i szpuli (ilustracja 6). Pozostałe specyfikacje:

• Zakres pojemności: od 6,8µF do 470µF
• Tolerancje pojemności: ±20% i 10%/-35%
• Napięcia znamionowe: od 2V= do 16V=
• Równoważna rezystancja szeregowa (ESR): od 6mΩ do 70mΩ
• Temperatura robocza: od -40°C do +105°C

Ilustracja 6: kondensatory aluminiowo-polimerowe ECAS są oferowane na szpuli DigiReel, na taśmie ciętej lub w postaci taśmy i szpuli, w obudowach D3, D4, D6 oraz D9. (Źródło ilustracji: Murata)

Firma Murata ostatnio powiększyła grupę produktów ECAS, dołączając do niej m.in. kondensatory 330µF (±20%), 6,3V, takie jak ECASD60J337M009KA0 z równoważną rezystancją szeregową (ESR) 9mΩ w rozmiarze obudowy D4. Wyższe wartości pojemności pozwalają na lepsze wygładzanie tętnień i zmniejszenie liczby wymaganych kondensatorów, zmniejszając ogólny rozmiar rozwiązania.

Na przykład 2-woltowy kondensator aluminiowo-polimerowy ECASD40D337M006KA0 330µF (± 20%) z równoważną rezystancją szeregową (ESR) 6mΩ użyty do filtrowania wyjścia przetwornicy prądu stałego przełączającej przy 300kHz wytwarza międzyszczytowe napięcie tętnień rzędu 13mVp-p, w porównaniu zkondensatorem tantalowym o rezystancji ESR 15mΩ, który wytwarza napięcie tętnień 36mVp-p, lub aluminiowym kondensatorem elektrolitycznym o rezystancji ESR 900mΩ, który wytwarza napięcie tętnień 950mVp-p.

Inne przykłady kondensatorów ECAS to min.: ECASD40D157M009K00, o znamionowej pojemności 150µF (±20%) i napięciu 2V= o równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) 9mΩ w obudowie D4, oraz ECASD41C686M040KH0, o znamionowej pojemności 68µF (±20%) i napięciu 16V= o rezystancji ESR 40mΩ, również w obudowie D4. Cechy kondensatorów aluminiowo-polimerowych ECAS:

• Wysoka pojemność w połączeniu z niską równoważną rezystancją szeregową (ESR)
• Stabilność pojemności przy przyłożonym napięciu prądu stałego / temperaturze / wysokich częstotliwościach
• Doskonała absorpcja tętnień, wygładzanie, odpowiedź impulsowa
• Nie wymaga obniżania napięcia znamionowego
• Eliminacja zakłóceń akustycznych wytwarzanych przez kondensatory ceramiczne (zjawisko piezoelektryczne)
• Pasek polaryzacji (dodatni) umieszczony na produkcie
• Konstrukcja do montażu powierzchniowego
• Zgodność z dyrektywą RoHS
• Wolne od halogenów
• Obudowa MSL 3

Zagadnienia projektowe

Elektrolityczne kondensatory aluminiowo-polimerowe ECAS są zoptymalizowane pod kątem zastosowań związanych z zarządzaniem zasilaniem. Nie zaleca się ich stosowania w obwodach o stałych parametrach czasowych, obwodach sprzęgających lub obwodach wrażliwych na prądy upływowe. Kondensatory ECAS nie są przeznaczone do łączenia szeregowego. Inne zagadnienia projektowe:

• Biegunowość: elektrolityczne kondensatory aluminiowo-polimerowe posiadają biegunowość i muszą być podłączone z zachowaniem prawidłowej polaryzacji. Nawet chwilowe przyłożenie napięcia wstecznego może uszkodzić warstwę tlenkową i pogorszyć parametry kondensatora.
• Napięcie robocze: gdy omawiane kondensatory są używane w obwodach prądu zmiennego lub w warunkach występowania prądów tętniących, napięcie międzyszczytowe (Vp-p) lub napięcie między niezrównoważeniem a szczytem (Vo-p), które obejmuje polaryzację prądu stałego, musi być utrzymywane w granicach zakresu napięcia znamionowego. W obwodach przełączających, w których mogą występować stany nieustalone napięcia, napięcie znamionowe musi być wystarczająco wysokie, aby uwzględnić również wartości szczytowe dla stanów nieustalonych.
• Prąd rozruchowy: jeśli przewiduje się, że prąd rozruchowy będzie przekraczać 20A, wymagane jest jego dodatkowe ograniczenie, aby utrzymać jego szczytową wartość na poziomie 20A.
• Prąd tętnień: każdy model z serii ECAS ma określone wartości znamionowe prądu tętnień, których nie wolno przekraczać. Nadmierne prądy tętnień będą generować ciepło, które może uszkodzić kondensator.
• Temperatura robocza:
  • Przy określaniu temperatury znamionowej kondensatora projektanci muszą wziąć pod uwagę temperaturę roboczą zastosowania, w tym rozkład temperatur wewnątrz urządzenia i wszelkie sezonowe czynniki temperaturowe.
  • Temperatura powierzchni kondensatora musi pozostawać w zakresie temperatur roboczych, z uwzględnieniem nagrzewania się kondensatora wynikającego z określonych czynników zastosowania, takich jak prądy tętnienia.

Podsumowanie

Projektantom układów zasilania trudno jest osiągnąć optymalną równowagę między sprawnością, parametrami działania, kosztami, stabilnością, niezawodnością i rozmiarami, szczególnie w przypadku zasilania dużych układów scalonych, takich jak mikrokontrolery, specjalizowane układy scalone (ASIC) i bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA), a także podczas obsługi szczytowego zapotrzebowania na moc w zastosowaniach USB. Jednym z głównych komponentów łańcucha sygnałowego zasilania jest kondensator, a wiele cech tych urządzeń pomaga spełnić wymagania projektantów - o ile zastosuje się odpowiednią technologię.

Kondensatory aluminiowo-polimerowe pomagają projektantom znaleźć odpowiednią równowagę. Ich budowa zapewnia niskie impedancje przy częstotliwościach do 500kHz, niską równoważną rezystancję szeregową (ESR), dobre wygładzanie tętnień, a także dobre tłumienie i odsprzęganie na liniach zasilania. Ponadto nie mają ograniczeń związanych z prądem stałym i naprawiają się samoczynnie, poprawiając niezawodność operacyjną. Ich łańcuch dostaw jest też bardziej niezawodny, ponieważ nie stosuje się w nich materiałów konfliktowych. Podsumowując, kondensatory aluminiowo-polimerowe oferują projektantom opcje o lepszych parametrach działania, pozwalające sprostać wymaganiom szerokiej gamy układów zarządzania zasilaniem.

Rekomendowane artykuły:

1. Podstawy: zrozumienie charakterystyk różnych rodzajów kondensatorów, pod kątem stosowania w odpowiedni i bezpieczny sposób