Polymer-Aluminiumkondensatoren CPUs, ASICs, FPGAs und USB effektiv mit Strom versorgen

Von Rolf Horn *

Um integrierte Schaltungen zuverlässig mit Strom zu versorgen, sind Kondensatoren mit niedrigem ESR und niedriger Impedanz bei hohen Frequenzen nötig, etwa Polymer-Aluminiumkondensatoren.

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Bild 1: Modell eines Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensators, das die Beziehung zwischen der Anode aus geätzter Aluminiumfolie (links), dem Dielektrikum aus oxidiertem Aluminiumfolie (Mitte) und der leitfähigen Polymerkathode (rechts) zeigt.
Bild 1: Modell eines Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensators, das die Beziehung zwischen der Anode aus geätzter Aluminiumfolie (links), dem Dielektrikum aus oxidiertem Aluminiumfolie (Mitte) und der leitfähigen Polymerkathode (rechts) zeigt.
(Bild: Murata)

Entwickler von Stromversorgungslösungen für elektronische Systeme und Subsysteme, einschließlich ICs, ASICs, CPUs und FPGAs sowie USB-Stromversorgung, suchen ständig nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz bei gleichzeitiger Gewährleistung einer stabilen, rauschfreien Stromversorgung über weite Temperaturbereiche in einem kompakten Formfaktor. Sie müssen die Effizienz, Stabilität und Zuverlässigkeit verbessern, die Kosten senken und den Formfaktor der Lösung verkleinern. Gleichzeitig müssen sie die ständig steigenden Leistungsanforderungen der Anwendung erfüllen, einschließlich der Glättung der Eingangs- und Ausgangsströme von Stromversorgungsschaltungen, der Unterstützung von Leistungsspitzen und der Unterdrückung von Spannungsschwankungen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, benötigen Entwickler Kondensatoren mit einem niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und einer niedrigen Impedanz bei hohen Frequenzen, um die Welligkeit zu dämpfen und ein gleichmäßiges und schnelles Einschwingverhalten zu gewährleisten. Darüber hinaus sind sowohl ein zuverlässiger Betrieb als auch eine zuverlässige Lieferkette wichtig.

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Betrachtet man die Probleme und Optionen, so erweisen sich Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren als eine gute Lösung, da sie sich durch eine hohe elektrische Leistung, Stabilität, geringes Rauschen, Zuverlässigkeit, einen kompakten Formfaktor und ein geringes Risiko in der Lieferkette auszeichnen, weil sie keine Konfliktmaterialien nutzen. Sie zeichnen sich durch einen niedrigen ESR (in der Regel in mΩ gemessen) und niedrige Impedanzen bei hohen Frequenzen (bis zu 500 kHz) aus und bieten eine hervorragende Rauschunterdrückung, Welligkeitsdämpfung und Netzentkopplung. Sie weisen auch bei hohen Betriebsfrequenzen und Temperaturen eine stabile Kapazität auf.

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Funktion und Herstellung von Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Außerdem vergleicht er die Leistung dieser Kondensatoren mit alternativen Kondensatortechnologien, bevor er auf spezifische Anwendungen für Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren eingeht. Abschließend werden repräsentative Bauelemente von Murata vorgestellt und Anwendungsaspekte erläutert, die Entwickler bei der Verwendung dieser Kondensatoren beachten müssen.

Wie werden Polymer-Aluminiumkondensatoren hergestellt?

Polymer-Aluminiumkondensatoren besitzen eine Kathode aus geätzter Aluminiumfolie, ein Dielektrikum aus oxidierter Aluminiumfolie und eine leitfähige Polymer-Kathode (Bild 1). Je nach Bauelement sind sie mit Kapazitäten von 6,8 bis 470 µF erhältlich und decken einen Gleichspannungsbereich von 2 bis 25 VDC ab.

Bei den Komponenten der Serie ECAS von Murata ist die geätzte Aluminiumfolie direkt an der positiven Elektrode angebracht, während das leitfähige Polymer mit einer Kohlenstoffpaste bedeckt und mit einer leitfähigen Silberpaste mit der negativen Elektrode verbunden ist (Bild 2). Die gesamte Struktur ist mit einem Epoxidharz ummantelt, das mechanische Festigkeit und den Schutz gegen Umwelteinflüsse gewährleistet. Das daraus resultierende flache, oberflächenmontierbare Gehäuse ist halogenfrei und entspricht der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe MSL 3. Die mehrschichtige (laminierte) Struktur der Aluminiumfolie und der oxidierten Folie unterscheidet die Serie ECAS von Murata von typischen Aluminium-Elektrolytkondensatoren, z. B. gewickelten Strukturen, die entweder ein Polymer oder einen Elektrolyten als Kathode verwenden können.

Mit der Kombination aus laminierter Struktur und Materialauswahl können die ECAS-Kondensatoren den niedrigsten ESR-Wert unter den Elektrolytkondensatoren bieten. Die Polymer-Aluminiumkondensatoren der Serie ECAS besitzen Kapazitäten, die mit denen von Polymer-Tantal-Kondensatoren (Ta), Ta-Mangandioxid-Kondensatoren (MnO₂) und Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) vergleichbar sind. Ihre ESR-Werte können es mit denen von MLCCs aufnehmen und unterbieten die Werte von Polymer- oder MnO₂-Ta-Kondensatoren (Bild 3).

Bei kostensensiblen Anwendungen können Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Ta-(MnO₂)-Kondensatoren relativ preiswerte Lösungen darstellen. Herkömmliche Aluminium- oder Tantal-Elektrolytkondensatoren nutzen einen Elektrolyten oder Mangandioxid (MnO₂) als Kathode. Die Verwendung einer leitfähigen Polymerkathode in den Kondensatoren der Serie ECAS führt zu einem niedrigeren ESR, stabileren thermischen Eigenschaften, einer verbesserten Sicherheit und einer längeren Lebensdauer (Bild 4). MLCCs sind zwar relativ preiswert, haben aber eine Gleichstromvorspannung, die bei anderen Kondensatortechnologien nicht gegeben ist.

Das Verhalten bei DC-Vorspannung bezieht sich auf die Kapazitätsänderung eines MLCC bei einer angelegten Gleichspannung. Wenn die angelegte Gleichspannung steigt, nimmt die effektive Kapazität des MLCC ab. Wenn die Gleichstromvorspannung auf einige Volt ansteigt, können MLCCs zwischen 40 und 80 Prozent ihres Nennkapazitätswerts verlieren, was sie für viele Energiemanagement-Anwendungen ungeeignet macht.

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Aufgrund ihrer Leistungsmerkmale eignen sich Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sehr gut für Energiemanagement-Anwendungen, z. B. für die Stromversorgung von CPUs, ASICs, FPGAs und anderen großen ICs, sowie zur Deckung des Spitzenstrombedarfs in USB-Stromversorgungssystemen (Bild 5).

Polymer-Aluminiumkondensatoren bieten einen niedrigen ESR-Wert, eine niedrige Impedanz und eine stabile Kapazität, wodurch sie sich für Anwendungen wie die Glättung und Eliminierung von Restwelligkeit eignen, insbesondere bei Stromleitungen mit starken Lastschwankungen. In diesen Anwendungen können Polymer-Aluminiumkondensatoren in Kombination mit MLCCs zum Einsatz kommen.

Die Polymer-Aluminiumkondensatoren erlauben das Energiemanagement, während die MLCCs hochfrequentes Rauschen an den Leistungsversorgungspins von ICs filtern. Außerdem können Polymer-Aluminium-Kondensatoren den Spitzenleistungsbedarf in USB-Stromversorgungssystemen ohne höheren Platzbedarf auf der Leiterplatte decken.

Baugrößen von Polymer- Aluminiumkondensatoren

Die Polymer-Aluminiumkondensatoren der Serie ECAS sind in vier metrischen EIA-7343-Gehäusegrößen erhältlich, abhängig von ihrer Leistung: D3 (7,3 mm 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) und D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm). Sie sind in Digi-Reel-, Cut-Tape- und Tape-and-Reel-Verpackungen erhältlich (Bild 6). Weitere Spezifikationen sind:

  • Kapazitätsbereich: 6,8 bis 470 μF,
  • Kapazitätstoleranzen: ±20 und +10 Prozent/–35 Prozent,
  • Nennspannungen: 2 bis 16 VDC,
  • ESR: 6 bis 70 mΩ,
  • Betriebstemperatur: –40 bis 105 °C.

Murata hat die ECAS-Familie kürzlich um Bauelemente mit 330 µF (±20 Prozent)und 6,3 V wie den ECASD60J337M009KA0 mit einem ESR von 9 mΩ in einem D4-Gehäuse erweitert. Höhere Kapazitätswerte können zu einer verbesserten Glättung der Welligkeit und einer Verringerung der Anzahl der erforderlichen Kondensatoren beitragen, wodurch die Gesamtgröße der Lösung reduziert wird.

Wird beispielsweise der Ausgang eines DC/DC-Wandlers gefiltert, der mit 300 kHz schaltet, erzeugt der Polymer-Aluminiumkondensator ECASD40D337M006KA0 mit 330 µF (±20 Prozent), 2 V und einem ESR von 6 mΩ eine Brummspannung von 13 mVp-p, im Vergleich zu einem Aluminium-Polymer-Kondensator mit einem ESR von 15 mΩ, der eine Brummspannung von 36 mVp-p erzeugt, oder einem Aluminium-Elektrolytkondensator mit einem ESR von 900 mΩ, der eine Brummspannung von 950 mVp-p erzeugt.

Weitere Beispielkondensatoren aus der Serie ECAS sind der ECASD40D157M009K00 mit 150 µF (±20 Prozent) und 2 VDC und einem ESR von 9 mΩ in einem D4-Gehäuse und der ECASD41C686M040KH0 mit 68 µF (±20 Prozent) und 16 VDC und einem ESR von 40 mΩ, ebenfalls in einem D4-Gehäuse. Zu den Merkmalen der Polymer-Aluminiumkondensatoren aus der Familie ECAS gehören:

  • Hohe Kapazität kombiniert mit niedrigem ESR,
  • stabile Kapazität bei angelegter Gleichspannung bzw. über Temperatur/Frequenz,
  • hervorragende Eigenschaften bei Welligkeitsabsorption, Glättung, Einschwingverhalten,
  • keine Spannungsreduzierung erforderlich,
  • Beseitigung des von Keramikkondensatoren verursachten akustischen Geräuschs (Piezo-Effekt),
  • Polaritätsbalken (positiv) auf Produkt vermerkt,
  • Konstruktion zur Oberflächenmontage,
  • RoHS-konform,
  • halogenfrei,
  • Gehäuse mit Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe MSL 3.

Designüberlegungen bei der Schaltungsentwicklung

Die Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren der Serie ECAS sind für den Einsatz in Energiemanagement-Anwendungen optimiert; sie werden nicht für den Einsatz in zeitkonstanten Schaltungen, Koppelschaltungen oder Schaltungen empfohlen, die empfindlich auf Leckströme reagieren. Die Kondensatoren der Serie ECAS sind nicht für eine Reihenschaltung vorgesehen. Sonstige Designüberlegungen sind unter anderem:

  • Polarität: Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolt und müssen mit der richtigen Polarität angeschlossen werden. Selbst eine kurzzeitige Verpolung kann die Oxidschicht beschädigen und die Leistung des Kondensators beeinträchtigen.
  • Betriebsspannung: Wenn diese Kondensatoren in Wechselstrom- oder Brummstromkreisen verwendet werden, muss die Spannung von Spitze zu Spitze (Vp-p) oder die Spannung von Offset zu Spitze (Vo-p), inklusive der Gleichstromvorspannung, innerhalb des Nennspannungsbereichs gehalten werden. In Schaltkreisen, in denen es zu Spannungsspitzen kommen kann, muss die Nennspannung hoch genug sein, um auch die Spannungsspitzen zu erfassen.
  • Einschaltstrom: Wenn ein Einschaltstrom von mehr als 20 A zu erwarten ist, ist eine zusätzliche Einschaltstrombegrenzung erforderlich, damit der Spitzeneinschaltstrom auf 20 A nicht überschreitet.
  • Brummstrom: Jedes Modell der Serie ECAS verfügt über spezifische Brummstromwerte, die nicht überschritten werden dürfen. Zu hohe Brummströme erzeugen Wärme, die den Kondensator beschädigen kann.
  • Betriebstemperatur: Bei der Bestimmung der Temperaturauslegung des Kondensators müssen die Entwickler die Betriebstemperatur der Anwendung berücksichtigen, einschließlich der Temperaturverteilung innerhalb des Geräts und etwaiger saisonaler Temperaturfaktoren. Die Oberflächentemperatur des Kondensators muss innerhalb des Betriebstemperaturbereichs bleiben, einschließlich einer eventuellen Selbsterhitzung des Kondensators, die sich aus den spezifischen Anwendungsfaktoren wie Brummströmen ergibt.

Das richtige Gleichgewicht muss gefunden werden

Für die Entwickler von Stromversorgungssystemen ist es schwierig, ein optimales Gleichgewicht zwischen Effizienz, Leistung, Kosten, Stabilität, Zuverlässigkeit und Formfaktor zu erreichen, insbesondere bei der Versorgung großer ICs wie MCUs, ASICs und FPGAs und bei der Abdeckung des Spitzenleistungsbedarfs von USB-Anwendungen. Eine der Hauptkomponenten der Stromversorgungs-Signalkette ist der Kondensator, und er besitzt viele Eigenschaften, die zur Erfüllung von Entwickleranforderungen beitragen – wenn die richtige Technologie verwendet wird.

Wie gezeigt, helfen Polymer-Aluminiumkondensatoren Entwicklern, das richtige Gleichgewicht zu finden. Ihr Aufbau gewährleistet niedrige Impedanzen bei Frequenzen von bis zu 500 kHz, einen niedrigen ESR, eine gute Glättung der Welligkeit sowie eine gute Rauschunterdrückung und Netzentkopplung. Außerdem leiden sie nicht unter den Einschränkungen der Gleichstromvorspannung und sind selbstheilend, was die Betriebszuverlässigkeit verbessert. Schließlich nutzen sie eine zuverlässigere Lieferkette, da sie keine Konfliktmaterialien ernhalten. Alles in allem bieten Polymer-Aluminiumkondensatoren eine leistungsfähigere Option, um die Anforderungen verschiedenster Energiemanagement-Systeme zu erfüllen.

* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei Digi-Key Electronics.

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