De ce și cum să folosiți condensatoare polimerice cu aluminiu pentru a alimenta procesoare, ASIC-uri, FPGA-uri și USB-uri în mod eficient

Proiectanții soluțiilor de furnizare a energiei pentru sisteme și subsisteme electronice, inclusiv circuite integrate, circuite integrate specifice aplicației (ASIC), unități centrale de procesare (CPU) și rețele de porți programabile în câmp (FPGA), precum și pentru alimentarea USB, caută în mod constant modalități de îmbunătățire a eficienței, asigurând în același timp o alimentare stabilă și fără zgomot pe intervale largi de temperatură, într-un factor de formă compact. Ei trebuie să îmbunătățească eficiența, stabilitatea și fiabilitatea, să reducă costurile și să micșoreze factorul de formă al soluției. În același timp, trebuie să îndeplinească cerințele tot mai mari ale aplicației, în ceea ce privește performanța energetică, inclusiv reglarea curenților de intrare și de ieșire ai circuitelor de alimentare, susținerea cererilor de energie de vârf și suprimarea fluctuațiilor de tensiune.

Pentru a face față acestor provocări, proiectanții au nevoie de condensatoare care au o rezistență echivalentă în serie (ESR) scăzută și o impedanță scăzută la frecvențe înalte pentru putea a susține absorbția ondulației și a asigura un răspuns tranzitoriu rapid și uniform. În plus, atât fiabilitatea operațională, cât și fiabilitatea lanțului de aprovizionare sunt importante.

Prin analizarea problemelor și a opțiunilor, condensatoarele electrolitice polimerice cu aluminiu par o soluție bună, deoarece se caracterizează prin performanțe electrice ridicate, stabilitate, zgomot redus, fiabilitate, un factor de formă compact și un risc scăzut în ceea ce privește lanțul de aprovizionare, deoarece nu utilizează materiale din zone de conflict. Acestea combină un ESR scăzut (măsurat în mod obișnuit în miliohmi (mΩ)) și impedanțe scăzute la frecvențe înalte (până la 500 kilohertzi (kHz)), oferind performanțe excelente de suprimare a zgomotului, absorbție a ondulației și decuplare pe liniile de alimentare. De asemenea, prezintă o stabilitate a capacității la frecvențe și temperaturi de funcționare ridicate.

Acest articol oferă o prezentare generală a modului în care funcționează condensatoarele electrolitice polimerice cu aluminiu și cum sunt fabricate. Performanța acestor condensatoare este comparată cu tehnologiile alternative de condensatoare, apoi se analizează aplicații specifice pentru condensatoarele electrolitice polimerice cu aluminiu. Articolul se încheie cu o trecere în revistă a dispozitivelor reprezentative de la Murata și a considerentelor legate de aplicații pe care proiectanții trebuie să le cunoască atunci când utilizează aceste condensatoare.

Care este procesul de fabricare a condensatoarelor polimerice cu aluminiu?

Condensatoarele polimerice cu aluminiu au un catod din folie de aluminiu gravată, o peliculă de dielectric din aluminiu oxidat și un catod din polimer conductiv (Figura 1). În funcție de dispozitivul specific, acestea sunt disponibile cu capacități de la 6,8 la 470 microfarazi (µF) și acoperă o gamă de tensiuni de la 2 la 25 volți curent continuu (V c.c.).

Figura 1: model de condensator electrolitic polimeric cu aluminiu care arată relația dintre anodul cu folie de aluminiu gravată (stânga), pelicula de dielectric din aluminiu oxidat (centru) și catodul din polimer conductiv (dreapta). (Sursa imaginii: Murata)

În dispozitivele Murata din seria ECAS, folia de aluminiu gravată este atașată direct la electrodul pozitiv, în timp ce polimerul conductiv este acoperit cu o pastă de carbon și conectat la electrodul negativ cu ajutorul unei paste de argint conductoare (Figura 2). Întreaga structură este învelită într-o rășină epoxidică turnată, pentru rezistență mecanică și protecția mediului. Pachetul cu montare pe suprafață, cu profil redus, nu conține halogeni și are sensibilitate la umiditate (MSL) de nivelul 3. Structura multistrat (laminată) cu folie de aluminiu și peliculă oxidată diferențiază seria ECAS de la Murata de condensatoarele electrolitice tipice din aluminiu, cum ar fi structurile înfășurate de tip cilindric care pot utiliza fie un polimer, fie un electrolit ca și catod.

Figura 2: structura dispozitivului condensatorului polimeric cu aluminiu din seria ECAS, care prezintă polimerul conductiv (roz), folia de aluminiu gravată (alb), pelicula de aluminiu oxidat (Al) (albastru), pasta de carbon (maro) și pasta de argint (gri închis) care conectează polimerul conductiv la electrodul negativ și carcasa din rășină epoxidică. (Sursa imaginii: Murata)

Combinația dintre structura laminată și selecția materialelor permite condensatoarelor ECAS să aibă cel mai mic ESR disponibil pentru condensatoarele electrolitice. Condensatoarele polimerice cu aluminiu din seria ECAS oferă capacități comparabile cu cele ale condensatoarelor polimerice cu tantal (Ta), ale condensatoarelor cu dioxid de mangan (MnO₂) și ale condensatoarelor ceramice multistrat (MLCC), cu ESR-uri comparabile cu cele ale MLCC-urilor și mai mici decât cele ale condensatoarelor polimerice sau cu MnO₂ Ta (Figura 3).

Figura 3: condensatoarele polimerice cu aluminiu (seria ECAS) prezintă valori mai mari ale capacității și ESR-uri comparabile cu cele ale MLCC-urilor și ESR-uri mai mici cu o capacitate comparabilă cu cea a condensatoarelor cu tantal și a celor cu aluminiu de tip cilindric. (Sursa imaginii: Murata)

Pentru aplicațiile sensibile la costuri, condensatoarele electrolitice din aluminiu și condensatoarele de Ta (MnO₂) pot oferi soluții relativ ieftine. Condensatoarele electrolitice convenționale din aluminiu sau tantal utilizează un electrolit sau dioxid de mangan (MnO₂) ca și catod. Utilizarea unui catod din polimer conductiv în condensatoarele ECAS rezultă într-un ESR mai mic, caracteristici termice mai stabile, siguranță îmbunătățită și o durată de viață mai lungă (Figura 4). MLCC-urile, deși relativ ieftine, au caracteristici de polarizare c.c. care nu se găsesc în alte tehnologii de condensatoare.

Figura 4: condensatoarele polimerice cu aluminiu oferă combinația de bază dintre ESR scăzut, caracteristicile de polarizare c.c., caracteristicile de temperatură, durata de viață și fiabilitatea. (Sursa imaginii: Murata)

Caracteristica de polarizare c.c. se referă la modificarea capacității unui MLCC cu o tensiune c.c. aplicată. Pe măsură ce tensiunea c.c. aplicată crește, capacitatea efectivă a MLCC scade. Atunci când polarizarea c.c. crește la câțiva volți, MLCC-urile pot pierde de la 40% până la 80% din valoarea capacității lor nominale, ceea ce le face nepotrivite pentru multe aplicații de gestionare a energiei.

Caracteristicile de performanță ale condensatoarelor electrolitice polimerice cu aluminiu le fac potrivite pentru aplicațiile de gestionare a energiei, inclusiv pentru sursele de alimentare pentru procesoare, ASIC-uri, FPGA-uri și alte circuite integrate de mari dimensiuni, precum și pentru susținerea necesarului de energie de vârf în sistemele de alimentare USB (Figura 5).

Figura 5: în exemplul 1 (sus): condensatoare polimerice cu aluminiu într-un circuit de gestionare a energiei utilizat în aplicații țintă pentru a elimina ondulația și pentru a netezi și stabiliza sursele de tensiune. Ex. 2 (jos): condensatoarele polimerice cu aluminiu pot susține necesarul de energie de vârf în sistemele de alimentare USB. (Sursa imaginii: Murata)

Condensatoarele polimerice cu aluminiu au ESR scăzut, impedanță scăzută și capacitate stabilă, ceea ce le face potrivite pentru aplicații precum netezirea și eliminarea ondulației, în special pe liniile electrice supuse unor fluctuații mari ale sarcinii de curent. În aceste aplicații, condensatoarele polimerice cu aluminiu pot fi utilizate în combinație cu MLCC-uri.

Condensatoarele polimerice cu aluminiu asigură funcții de gestionare a energiei, iar MLCC-urile filtrează zgomotul de înaltă frecvență pe pinul sau pinii de alimentare ai circuitelor integrate. De asemenea, condensatoarele polimerice cu aluminiu pot să răspundă cerințelor de energie de vârf în sistemele de alimentare USB, menținând în același timp o amprentă mică pe placa de circuite imprimate.

Condensatoare polimerice cu aluminiu

Condensatoarele ECAS polimerice cu aluminiu sunt disponibile în patru dimensiuni metrice EIA 7343, în funcție de valorile lor nominale: D3: (7,3 milimetri (mm) x 4,3 mm x 1,4 mm înălțime); D4 (7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm înălțime); D6 (7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm înălțime); și D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm înălțime). Acestea sunt disponibile în format DigiReel, bandă tăiată la lungime și bandă și mosor (Figura 6). Alte specificații includ:

• Gama de capacitate: de la 6,8 µF la 470 μF
• Toleranțe de capacitate: ±20% și +10%/-35%
• Tensiuni nominale: de la 2 V c.c. până la 16 V c.c.
• ESR: de la 6 mΩ până la 70 mΩ
• Temperatura de funcționare: de la -40 °C până la +105 °C

Figura 6: condensatoarele ECAS polimerice cu aluminiu sunt disponibile în format DigiReel, bandă tăiată la lungime și bandă și mosor, și sunt disponibile în mărimile de carcasă D3, D4, D6 și D9. (Sursa imaginii: Murata)

Recent, Murata a extins familia ECAS pentru a include dispozitive de 330 µF (±20%), 6,3 volți, cum ar fi ECASD60J337M009KA0 cu un ESR de 9 mΩ într-o carcasă de dimensiuni D4. Valorile mai mari ale capacității pot contribui la o mai bună netezire a ondulației și la o reducere a numărului de condensatoare necesare, reducând dimensiunea totală a soluției.

De exemplu, atunci când este utilizat pentru a filtra ieșirea unui convertor c.c. - c.c. care comută la 300 kHz, condensatorul polimeric cu aluminiu ECASD40D337M006KA0 de 330 µF (±20%), de 2 volți, cu un ESR de 6 mΩ, va produce o tensiune de ondulație de 13 milivolți de la vârf la vârf (mVp-p), în comparație cu un condensator polimeric cu aluminiu cu ESR de 15 mΩ, care produce o tensiune de ondulație de 36 mVp-p, sau cu un condensator electrolitic din aluminiu cu ESR de 900 mΩ, care produce o tensiune de ondulație de 950 mVp-p.

Alte exemple de condensatoare ECAS includ ECASD40D157M009K00, evaluat la 150 µF (±20%) și 2 V c.c. cu un ESR de 9 mΩ într-o carcasă D4, și ECASD41C686M040KH0, evaluat la 68 µF (±20%) și 16 V c.c. cu un ESR de 40 mΩ, tot într-o carcasă D4. Caracteristicile condensatoarelor polimerice cu aluminiu ECAS includ:

• Capacitate mare combinată cu ESR scăzut
• Capacitate stabilă cu tensiune c.c./temperatură/frecvențe înalte aplicate
• Absorbție excelentă a ondulației, netezire, răspuns tranzitoriu
• Nu este necesară reducerea tensiunii
• Eliminarea zgomotului acustic creat de condensatoarele ceramice (efect piezo)
• Bara de polaritate (pozitivă) notată pe produs
• Construcție cu montare pe suprafață
• Conforme cu RoHS
• Fără halogen
• Pachet MSL 3

Considerente privind proiectarea

Condensatoarele electrolitice polimerice cu aluminiu ECAS sunt optimizate pentru utilizarea în aplicații de gestionare a energiei; nu sunt recomandate pentru utilizarea în circuite cu timp constant, circuite de cuplare sau circuite sensibile la curenți de scurgere. Condensatoarele ECAS nu sunt concepute pentru a fi conectate în serie. Alte considerente de proiectare includ:

• Polaritatea: condensatoarele electrolitice polimerice cu aluminiu sunt polarizate și trebuie conectate în polaritatea corectă. Chiar și o aplicare momentană a unei tensiuni inverse poate deteriora pelicula de oxid și poate afecta performanța condensatorului.
• Tensiunea de funcționare: atunci când aceste condensatoare sunt utilizate în circuite de curent alternativ sau de curent de ondulație, tensiunea de la vârf la vârf (Vp-p) sau tensiunea de decalaj la vârf (Vo-p), care include polarizarea de curent continuu, trebuie menținută în intervalul de tensiune nominală. În circuitele de comutare care pot prezenta tensiuni tranzitorii, tensiunea nominală trebuie să fie suficient de mare pentru a include și vârfurile tranzitorii.
• Curentul de anclanșare: dacă se așteaptă un curent de anclanșare care depășește 20 de amperi (A), este necesară o limitare suplimentară a curentului de anclanșare pentru a menține curentul de anclanșare maxim la 20 A.
• Curent de ondulație: fiecare model din seria ECAS are valori nominale specifice pentru curentul de ondulație care nu trebuie depășite. Curenții de ondulație excesivi vor genera căldură, ceea ce poate deteriora condensatorul.
• Temperatura de funcționare:
  • atunci când se determină temperatura nominală a condensatorului, proiectanții trebuie să ia în considerare temperatura de funcționare a aplicației, inclusiv distribuția temperaturii în cadrul echipamentului și orice factori de temperatură sezonieră.
  • Temperatura de suprafață a condensatorului trebuie să rămână în intervalul de temperatură de funcționare, inclusiv orice autoîncălzire a condensatorului care rezultă din factorii specifici ai aplicației, cum ar fi curenții de ondulație.

Concluzie

Este dificil pentru proiectanții de sisteme de alimentare să obțină un echilibru optim între eficiență, performanță, cost, stabilitate, fiabilitate și factor de formă, în special atunci când alimentează circuite integrate de mari dimensiuni, cum ar fi MCU, ASIC și FPGA, și atunci când susțin nevoile de energie de vârf în aplicațiile USB. Una dintre componentele principale ale lanțului de semnal al sursei de alimentare este condensatorul și există multe caracteristici ale acestor dispozitive care ajută la îndeplinirea cerințelor proiectanților – dacă se utilizează tehnologia potrivită.

După cum s-a arătat, condensatoarele polimerice cu aluminiu îi ajută pe proiectanți să găsească echilibrul potrivit. Structura acestora asigură impedanțe scăzute la frecvențe de până la 500 kHz, ESR scăzut, o bună netezire a ondulației, precum și o bună suprimare a zgomotului și decuplare pe liniile de alimentare. De asemenea, acestea nu suferă de limitări de polarizare în curent continuu și se repară singure, îmbunătățind fiabilitatea operațională. În plus, au un lanț de aprovizionare mai fiabil, deoarece nu folosesc materiale din zone de conflict. În concluzie, condensatoarele polimerice cu aluminiu oferă proiectanților o opțiune mai performantă pentru a răspunde cerințelor unei game largi de sisteme de gestionare a energiei.

Lectură recomandată:

1. Noțiuni fundamentele: înțelegerea caracteristicilor tipurilor de condensatoare pentru utilizarea corectă și sigură a acestora