K vyřešení všech zmíněných požadavků se jeví jako dobré řešení použití polymerových hliníkových elektrolytických kondenzátorů, protože se vyznačují vysokým výkonem, vysokou stabilitou, nízkou hlučností, spolehlivostí a malou velikostí. Mají velmi nízkou hodnotu ESR (obvykle několik mΩ) a nízkou impedanci při vysokých frekvencích (až 500 kHz). Navíc poskytují vynikající potlačení šumu a efektivně eliminují nežádoucí zvlnění. Mají vysokou stabilitu kapacity i při vysokých provozních frekvencích a teplotách. Tento článek představí vlastnosti polymerních hliníkových elektrolytických kondenzátorů a jak jejich výrobu. Nebude chybět srovnání s alternativními technologiemi kondenzátorů a na závěr bude uveden přehled kondenzátorů od společnosti Murata.

Jak se vyrábí polymerní hliníkové kondenzátory?

Polymerní hliníkové kondenzátory mají anodu z leptané hliníkové fólie, dielektrikum z oxidovaného hliníku a katodu z vodivého polymeru (obrázek 1). V závislosti na konkrétním typu, jsou kondenzátory k dispozici s kapacitami od 6,8 ​​do 470 µF a pokrývají rozsah napětí od 2 do 25 V.

Obrázek 1: Model elektrolytického polymerního hliníkového kondenzátoru, kde je znázorněna anoda z leptané hliníkové fólie (vlevo), dielektrikum z oxidovaného hliníku (uprostřed) a katoda z vodivého polymeru (vpravo). (Zdroj obrázku: Murata)

V kondenzátorech řady ECAS od 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 obalena epoxidovou pryskyřicí, která zvyšuje mechanickou pevnost a ochranu vůči vnějším vlivům. Výsledné pouzdro s nízkým profilem pro povrchovou montáž neobsahuje halogeny a má úroveň citlivosti na vlhkost (MSL) na hodnotě 3. Vícevrstvá struktura hliníkové fólie a oxidovaného filmu odlišuje řadu ECAS od typických hliníkových elektrolytických kondenzátorů, jako jsou vinuté struktury „plechovkového“ typu, které mohou jako katodu používat buď polymer nebo elektrolyt.

Obrázek 2: Struktura kondenzátoru řady ECAS, kde je růžovou barvou zobrazen vodivý polymer, bílou barvou leptaná hliníková fólie, hliníkový oxidovaný film modře, uhlíková pasta hnědě a stříbrná pasta tmavě šedou barvou. Stříbrná pasta spojuje vodivý polymer k záporné elektrodě a pouzdru z epoxidové pryskyřice. (Zdroj obrázku: Murata)

Kombinace vrstvené struktury a vybraného materiálu umožňuje kondenzátorům ECAS dosáhnout velmi nízkou hodnotu ESR. Polymerové hliníkové kondenzátory řady ECAS nabízí kapacity srovnatelné s tantalovými polymerovými kondenzátory (Ta), tantalovými kondenzátory s oxidem manganičitým (MnO₂) a vícevrstvými keramickými kondenzátory (MLCC). Co se týče hodnoty ESR, tak jsou srovnatelné s MLCC kondenzátory a mají nižší hodnotu než polymerní nebo tantalové MnO₂ kondenzátory (obrázek 3).

Obrázek 3: Polymerové hliníkové kondenzátory (řada ECAS) mají vyšší hodnoty kapacity a srovnatelné ESR ve srovnání s MLCC a nižší ESR se srovnatelnou kapacitou jako tantalové a hliníkové kondenzátory plechovkového typu. (Zdroj obrázku: Murata)

Standardní hliníkové nebo tantalové elektrolytické kondenzátory používají elektrolyt nebo oxid manganičitý (MnO ₂) jako katody. Použití vodivé polymerní katody v kondenzátorech ECAS má za následek nižší ESR, stabilnější tepelné charakteristiky, vylepšenou bezpečnost a delší životnost (obrázek 4). MLCC, i když jsou relativně levné, trpí stejnosměrným předpětím, které se u jiných technologií kondenzátorů nevyskytují.

Obrázek 4: Polymerové hliníkové kondenzátory poskytují nízkou hodnotu ESR, tepelnou stabilitu a delší životnost a vyšší spolehlivost. (Zdroj obrázku: Murata)

Charakteristika předpětí se týká změny kapacity MLCC dle aplikovaného stejnosměrného napětí. Jak se zvyšuje použité stejnosměrné napětí, efektivní kapacita MLCC klesá. Když se stejnosměrné předpětí zvýší na několik voltů, kapacita MLCC kondenzátorů mohou ztratit 40 % až 80 % své nominální kapacity. To je činí nevhodnými pro aplikace typu správa napájení.

Výkonové charakteristiky polymerních hliníkových elektrolytických kondenzátorů vyhovují aplikacím pro správu napájení jako jsou zdroje pro CPU, ASIC, FPGA, USB a další velké integrované obvody (obrázek 5).

Obrázek 5: Příklad. 1 (nahoře): Polymerové hliníkové kondenzátory v obvodu správy napájení používané k eliminaci zvlnění a vyhlazení a stabilizaci zdrojů napětí. Příklad. 2 (dole): Polymerové hliníkové kondenzátory se používají pro dosažení špičkového výkonu v USB aplikacích. (Zdroj obrázku: Murata)

Polymerové hliníkové kondenzátory mají nízkou hodnotu ESR, nízkou impedanci a stabilní kapacitu, díky čemuž se využívají pro vyhlazování a eliminaci zvlnění, zejména u napájení s velkým výkyvem proudového zatížení. V těchto aplikacích lze použít polymerní hliníkové kondenzátory v kombinaci s kondenzátory MLCC.

Polymerové hliníkové kondenzátory poskytují funkce pro správu napájení a MLCC kondenzátory filtrují vysokofrekvenční šum na napájecích pinech integrovaných obvodů.

Polymerové hliníkové kondenzátory

Polymerové hliníkové kondenzátory ECAS jsou k dispozici ve čtyřech metrických velikostech EIA 7343:

• D3: 7,3mm x 4,3 mm x 1,4 mm
• D4: 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm
• D6: 7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm
• D9: 7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm

Jsou nabízeny ve formátech DigiReel, řezaných pásků či kotoučích (obrázek 6). Mezi další vlastnosti patří:

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

Obrázek 6: Polymerové hliníkové kondenzátory ECAS jsou nabízeny ve formátech DigiReel, řezaných páscích a kotoučích. Velikosti pouzdra jsou D3, D4, D6 a D9. (Zdroj obrázku: Murata)

Murata nedávno rozšířila rodinu ECAS o kondenzátor ECASD60J337M009KA0 s kapacitou 330 µF (±20 %) pro napětí 6,3 V a s ESR 9 mΩ v pouzdru D4. Vyšší hodnoty kapacity mohou přispět k lepšímu vyhlazení zvlnění a snížení počtu požadovaných kondenzátorů, čímž se sníží celková velikost řešení.

Pro filtrování výstupu DC-DC měniče s frekvencí 300 kHz lze použít polymerový hliníkový kondenzátor ECASD40D337M006KA0 s kapacitou 330 µF (±20 %) a s ESR 6 mΩ. Tento kondenzátor vyhladí výstup s hodnotou zvlnění 13 mVp-p. Naproti tomu kondenzátor s ESR 15 mΩ vyhladí výstupní napětí s hodnotou zvlnění 36 mVp-p nebo hliníkový elektrolytický kondenzátor s ESR 900 mΩ vyhladí výstup se zvlněním 950 mVp-p.

Mezi další příklady kondenzátorů ECAS patří ECASD40D157M009K00 s kapacitou 150 µF (±20 %) pro napětí 2 Vdc a s ESR 9 mΩ v pouzdře D4 a ECASD41C686M040KH0 s kapacitou 68 µF ( ± 20 %) s ESR 40 mΩ, také v pouzdře D4. ECAS kondenzátory se vyznačují:

• Vysokou kapacitou v kombinaci s nízkým ESR
• Stabilní kapacitou v širokém rozmezí napětí, teplot a vysokých frekvencí
• Vynikající schopnost eliminace zvlnění
• Eliminací akustického hluku – známí problém u keramických kondenzátorů (piezo efekt)
• Proužkem polarity (kladný) vyznačený na produktu
• Konstrukcí pro povrchovou montáž
• Souladem s RoHS
• Bez halogenů
• Pouzdrem s odolnosti vůči vlhkosti MSL 3

Na co si dát pozor při návrhu:

Polymerové hliníkové elektrolytické kondenzátory ECAS jsou optimalizovány pro správu napájení. Nedoporučují se pro použití v obvodech s časovou konstantou, ve vazebních obvodech nebo obvodech citlivých na svodové proudy. Kondenzátory ECAS nejsou určeny k sériovému zapojení. Na co si dát ještě pozor?

• Polarita: Polymerové hliníkové elektrolytické kondenzátory jsou polarizované a musí být zapojeny se správnou polaritou. I chvilková změna napětí může poškodit film z oxidu a zhoršit tak výkon kondenzátoru.
• Provozní napětí: Pokud jsou tyto kondenzátory použity v obvodech se zvlněným proudem, musí být špičkové napětí (Vp-p) nebo offset-to-peak napětí (Vo-p), které zahrnuje také stejnosměrné předpětí, udržované v rozsahu jmenovitého napětí. Ve spínacích obvodech, které mohou zaznamenat přechodná špičková napětí, musí být jmenovité napětí dostatečně vysoké, aby zahrnovalo také tyto přechodné špičky.
• Startovací proud: Pokud se očekává startovací proud překračující 20 A, je nutné přidat obvod pro dodatečné omezení zapínacího proudu, aby špičkový startovací proud nepřekročil hranici 20 A.
• Zvlnění proudu: Každý model řady ECAS má specifické jmenovité hodnoty zvlnění proudu, které nesmí být překročeny. Nadměrné zvlnění proudů bude generovat teplo, které může poškodit kondenzátor.
• Provozní teplota: Při určování teplotní jmenovité hodnoty kondenzátoru se musí vzít v úvahu provozní teplota aplikace, včetně rozložení teploty v daném zařízení a sezónních teplotních výkyvů. Povrchová teplota kondenzátoru musí zůstat v rozsahu provozních teplot, včetně jakéhokoli samovolného zahřívání kondenzátoru v důsledku specifických aplikačních faktorů, jako jsou například zvlněné proudy.

Závěr

Při návrhu napájecích systémů je obtížné dosáhnout optimální rovnováhy mezi účinností, výkonem, cenou, stabilitou, spolehlivostí a rozměry, zejména při napájení velkých integrovaných obvodů, jako jsou MCU, ASIC a FPGA a USB. Jednou z hlavních součástí napájecího zdroje je kondenzátor. Existuje mnoho typů kondenzátorů, ale musí být vybrán správný typ, aby navržený obvod splňoval výše zmíněné požadavky.

Polymerové hliníkové kondenzátory pomáhají najít správnou rovnováhu. Jejich struktura zajišťuje nízkou impedanci při frekvencích do 500 kHz, nízké ESR, dobrou eliminaci zvlnění a dobré potlačení šumu. Momentálně není problém s dodávkami, jelikož nejsou použity materiály, které jsou nedostatkové. Celkově vzato, polymerové hliníkové kondenzátory nabízejí velmi dobré vlastnosti pro širokou škálu napájecích systémů.

Doporučená četba:

1. Základy: Pochopte vlastnosti typů kondenzátorů, abyste je mohli vhodně a bezpečně používat

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.