Aluminium-Polymer-Kondensatoren und ihre Auswirkungen auf die EMV

| Autor / Redakteur: Frank Puhane * / Johann Wiesböck

Bild 1: Schaltplan des aufgebauten Abwärtswandlers
Bild 1: Schaltplan des aufgebauten Abwärtswandlers (Bilder: Würth Elektronik eiSos)

Aluminium-Polymer-Kondensatoren ermöglichen einen hohen Rippelstrom, geringe parasitäre Induktivitäten und hohe Zuverlässigkeit. Gleichzeitig besitzen sie sehr gute Temperatureigenschaften.

Der Aluminium-Polymer-Kondensator ist eine Unterform der Elektrolyt-Kondensatoren. Die Besonderheit bei diesem Typ besteht darin, dass anstelle eines flüssigen Elektrolyts ein leitfähiges Polymer eingesetzt wird. Durch einen speziellen Bearbeitungsschritt, der sogenannten Polymerisation, wird durch Erhitzung das noch flüssige Monomer, das anstelle von Elektrolyt in dem Separatorpapier imprägniert wurde, zu einem festen Polymer vernetzt.

Dieser Prozess wird typischerweise bei ca. 100°C durchgeführt. Einmal durchgeführt, bleibt das Polymer für immer ein Feststoff. Aluminium-Polymer- und Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren besitzen ein sehr gutes Verhalten gegenüber der Einwirkung von Spannung und Temperatur.

Aluminium-Polymer-Kondensatoren besitzen des Weiteren auch eine sehr positive Eigenschaft in Bezug auf das Thema Alterung. Im Vergleich zu Keramik-Kondensatoren bieten Aluminium-Polymer-Kondensatoren einen deutlichen Vorteil, speziell bei dem Thema DC-Bias; werden größere Kapazitätswerte benötigt, sind diese Kondensatoren äußerst interessant.

Durch das spezielle Konstruktionsverfahren kann außerdem erreicht werden, dass die parasitären Effekte (speziell der ESL) erheblich verringert werden. Dies bedeutet für die Anwendung, dass ein hoher Rippelstrom, geringe parasitäre Induktivitäten, hohe Zuverlässigkeit und sehr gute Temperatureigenschaften möglich sind. Allerdings weisen Aluminium-Polymer-Kondensatoren einen erhöhten Leckstrom im Vergleich zu normalen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren auf und sind daher für kleine Handheld-Batterie-Anwendungen eher ungeeignet. Die hohe Zuverlässigkeit lässt sich durch die vielfach höhere Lebensdauer der Aluminium-Polymer-Kondensatoren belegen.

Beim Thema Vibration muss die Anwendung auf den Einsatz von Aluminium-Polymer-Kondensatoren genauso untersucht werden, da diese unter Umständen nicht die optimale Wahl sind, da das feste Polymer, Vibrationen nicht so gut abfedern kann wie ein flüssiger Elektrolyt. Ebenso muss berücksichtigt werden, dass in Bezug auf das Volumen bei einer definierten Kapazität und Spannung der normale Aluminium-Elektrolyt-Kondensator weiterhin Vorteile hat.

Durch die sehr guten elektrischen Eigenschaften sind die Möglichkeiten des Einsatzes von Aluminium-Polymer-Kondensatoren vielfältig und reichen von klassischen Back-up-Lösungen von Spannungen, Pufferung der Versorgungsspannung (von ICs), über Bypass oder Auskopplung von Signalen, Filteranwendungen bis hin zur Spannungsglättung von Schaltregler-Applikationen.

Abwärtswandler: Aufbau und EMV-Messungen

Als Basis für die in diesem Artikel beschriebenen Messungen dient ein Abwärtswandler mit VIN 12V und VOUT 5V und einer reinen ohmschen Last von 5Ω bei einem Stromfluss von 1A. Aus Sicht der EMV ist ein Abwärtswandler deutlich kritischer am Eingang. Das liegt an der diskontinuierlichen Stromaufnahme, bedingt durch die schnellen Schaltvorgänge der Halbleiter. Am Ausgang ist durch die Topologie bedingt ein LC-Filter vorhanden, welches den diskontinuierlichen Strom auf der High-Side integriert.

Die Messung nach CISPR 32 wurde in drei Schritten durchgeführt um die Einflüsse der einzelnen Komponenten zu verdeutlichen. Bei der ersten Messung wurde als Eingangskondensator ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator WCAP-ASLL 865 060 343 004 (47µF; 16 V; 411mΩ; 19 nH) verwendet. Wie zu erwarten war, werden die Grenzwerte mit Störpegeln von bis zu 100dBµV deutlich überschritten. Dieses Verhalten lässt sich mit den parasitären Effekten erklären, vor allem der ESR erzeugt zusammen mit den parasitären Effekten des Layouts (den Zuleitungen) einen hochfrequenten Spannungsabfall, der messtechnisch erfasst werden kann.

Bei der zweiten Messung wurde ein Aluminium-Polymer-Kondensator WCAP-PSLP 875 105 344 006 verwendet mit vergleichbaren elektrischen Grundparametern (47µF; 16 V; 20,7mΩ; 3,9 nH). Durch den sehr niedrigen ESR und ESL stellt sich bei der Messung des Störspektrums eine deutliche Verbesserung der EMV-Performance ein.

Die Grundfrequenz und die ersten Harmonischen dieser Frequenz erzeugen einen nicht mehr so hohen Spannungsabfall und dadurch entstehen auch weniger Störungen. Trotzdem konnte der Grenzwert nicht eingehalten werden und es wird ein weiterer Filter platziert. Der Eingangsfilter wurde nach Empfehlungen im Datenblatt aufgebaut und bei der dritten Messung verwendet. Nun wird das Zusammenspiel zwischen Aluminium-Polymer-Kondensator und Eingangsfilter ersichtlich. Die Kombination aus Eingangsfilter, niedrigen ESR und ESL des Aluminium-Polymer-Kondensators bewirkt, die Pegel breitbandig unter das Limit der Klasse B zu drücken. Werte von unter 40 dBµV (Average & Quasi Peak) sind im Vergleich zur ersten Messung problemlos möglich.

Vergleich Restwelligkeit der Ausgangsspannung

Als Ausgangskondensator eines Abwärtswandlers wird eine gewisse Kapazität benötigt, um den Regelkreis und die Ausgangsspannung stabil zu halten. Wird die Kapazität durch die eingestellte Ausgangsspannung verringert, kann der Spannungsregler im schlimmsten Fall dessen Spezifikation nicht mehr einhalten (z. B. bei Lastwechseln). Dies muss beim Einsatz von Klasse 2 MLCCs (wie z. B. X7R und X5R) berücksichtigt werden.

Die drei Messungen wurden mit den gleichen Bauteilen aus dem vorangegangen Abschnitt durchgeführt; durch den hohen ESR-Wert des Aluminium-Elektrolyt-Kondensators wurde bei der ersten Messung ein Spitze-Spitze-Wert von knapp 400mV gemessen. Dies bedeutet bei einer Ausgangsspannung von 5 V einen Spannungsripple von 8 %.

Selbst wenn zwei Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren desselben Typs parallel sind, ist der resultierende ESR mit 205,5 mΩ immer noch deutlich zu hoch. Nicht zu vernachlässigen ist der Ripplestrom durch den Kondensator, welcher zur Erwärmung des Bauteils und über die Dauer zum Ausfall des Kondensators führt. Daher muss die Ripplestrom-Tragfähigkeit bei Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren immer überprüft werden.

Bei Aluminium-Polymer-Kondensatoren ist durch den geringen ESR die Erwärmung des Bauteils bei gleichem Ripple deutlich geringer und es sind im Vergleich dazu auch deutlich größere Rippleströme möglich, ohne das Bauteil thermisch zu überlasten.

Bei der zweiten Messung wurde der Aluminium-Polymer-Kondensator verwendet. Der Spitze-Spitze-Wert der Messung liegt nun lediglich bei 35 mV und damit in einem sehr guten Bereich. Die Spannungsspitzen, welche zu sehen sind, werden beim Umschalten durch parasitäre Induktivitäten verursacht. Da man in einer reellen Applikation auch keinen Aluminium-Polymer-Kondensator alleine verwenden würde, wurde bei der dritten Messung noch ein MLCC parallelgeschaltet. Damit lassen sich die parasitären Effekte minimieren und ein sauberes Ausgangsignal stellt sich ein. Als MLCC wurde eine X7R-Keramik mit einer Nennkapazität von 4,7 µF und 16 V Nennspannung verwendet.

Lebensdauer von Aluminium-Polymer-Kondensatoren

Die Lebensdauer von Elektrolyt-Kondensatoren ist vor allem in Industrieapplikation und anderen Applikationen mit hohen Anforderungen an die Lebensdauer von großer Bedeutung und wird als langlebiges und zuverlässiges Bauteil dimensioniert.

Die Lebensdauer eines Kondensators ist von vielen Faktoren abhängig. Einer davon ist die Bauteiltemperatur bzw. thermische Belastung, da diese maßgeblich dafür verantwortlich ist, dass innere Strukturen über die Dauer altern und die elektrischen Eigenschaften sich verschlechtern. Dadurch entsteht ein erhöhter Leckstrom, der ESR wird größer und dies führt wiederum zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur.

Werden die Grenzen nicht ausgereizt, kann durch eine niedrigere Temperaturbelastung im Bauteil eine hohe Lebenserwartung erzielt werden. Zum Vergleich der Lebensdauer dienen zwei Formeln. Bei klassischen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit flüssigem Elektrolyt verdoppelt sich die zu erwartende Lebensdauer, wenn die Temperatur am Bauteil um 10 °C verringert wird (2).

Bei Aluminium-Polymer-Kondensatoren verzehnfacht sich die Lebensdauer, wenn die Temperatur am Bauteil um 20 °C verringert wird (1). Damit lassen sich für verschiedene Umgebungstemperaturen zu erwartende Lebensdauern berechnen (siehe Tabelle).

Würth
Würth

Als Beispiel wird ein Aluminium-Polymer-Kondensator betrachtet bei 65 °C Umgebungstemperatur, welcher nach der Formel eine berechnete Lebensdauerangabe von 2.000.000 h hat. Dies sind umgerechnet 228 Jahre. Solch eine Lebensdauer zu garantieren ist nicht möglich. Die typische maximale erwartete Lebensdauer variiert von Hersteller zu Hersteller und liegt im Bereich zwischen 13 und 15 Jahren.

Anhand der Tabelle in Bild 4 ist weiterhin deutlich zu sehen, ab welcher Umgebungstemperatur die Aluminium-Polymer-Kondensatoren bei dem Thema Lebensdauer im Vorteil sind. Ist die spezifizierte Bauteiltemperatur für Aluminium-Elektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensatoren gleich (z. B. 2 000 h bei 105 °C), ist schon bei nur 85 °C Umgebungstemperatur zu erkennen, dass der Aluminium-Polymer-Kondensator eine deutlich höhere Lebensdauer besitzt.

* Frank Puhane arbeitet als Projektingenieur bei der Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG in Waldenburg.

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