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          為什么采用聚合物鋁電解電容器可以解決電源設計的痛點?

          發布時間:2024-03-15 來源:得捷電子DigiKey 責任編輯:lina

          【導讀】在設計 USB 電源以及電子系統和子系統(包括 IC、特定應用 IC (ASIC)、中央處理器 (CPU) 和現場可編程門陣列 (FPGA))的功率輸送解決方案時,設計人員會不斷尋找方法來提高效率,同時確保以緊湊的外形尺寸在寬溫度范圍內提供穩定、無噪聲的功率。他們需要提高效率、穩定性和可靠性,降低成本,并縮小解決方案的外形尺寸。同時,還必須滿足應用中不斷增多的功率性能要求,包括平滑處理電源電路的輸入和輸出電流、支持峰值功率需求以及抑制電壓波動。


          在設計 USB 電源以及電子系統和子系統(包括 IC、特定應用 IC (ASIC)、中央處理器 (CPU) 和現場可編程門陣列 (FPGA))的功率輸送解決方案時,設計人員會不斷尋找方法來提高效率,同時確保以緊湊的外形尺寸在寬溫度范圍內提供穩定、無噪聲的功率。他們需要提高效率、穩定性和可靠性,降低成本,并縮小解決方案的外形尺寸。同時,還必須滿足應用中不斷增多的功率性能要求,包括平滑處理電源電路的輸入和輸出電流、支持峰值功率需求以及抑制電壓波動。


          為了應對這些挑戰,設計人員需要具有低等效串聯電阻 (ESR) 和高頻低阻抗的電容器,以支持紋波吸收并確保平滑的快速瞬態響應。此外,運營可靠性和供應鏈可靠性也很重要。


          縱觀這些問題和選項,聚合物鋁電解電容器是一個很好的解決方案,具有較高電氣性能和穩定性,噪聲低、可靠性佳、外形尺寸緊湊,并且由于不使用沖突材料,供應鏈風險低。它們具備低 ESR(通常以毫歐 (mΩ) 為單位測量)和高頻(高達 500 千赫茲 (kHz))低阻抗,并且提供出色的噪聲抑制、紋波吸收和電源線去耦性能。此外,在高工作頻率和溫度下也具有電容穩定性。


          本文概述了聚合物鋁電解電容器的工作原理和制造方法。文中將這些電容器的性能與替代性電容器技術進行比較,接著探討聚合物鋁電解電容器的具體應用。最后則回顧了 Murata 的代表性器件,以及設計人員使用這些電容器時需要注意的應用問題。


          聚合物鋁電容器是如何制造的?


          聚合物鋁電容器包括蝕刻的鋁箔陽極、鋁氧化膜電介質以及導電聚合物陰極(圖 1)。根據具體器件的不同,電容范圍為 6.8 至 470 微法 (μF),電壓范圍為 2 至 25 伏直流電 (Vdc)。


          為什么采用聚合物鋁電解電容器可以解決電源設計的痛點?

          圖 1:聚合物鋁電解電容器模型展示了蝕刻鋁箔陽極(左)、鋁氧化膜電介質(中)和導電聚合物陰極(右)之間的關系。(圖片來源:Murata)


          在 Murata 的 ECAS 系列器件中,蝕刻的鋁箔直接貼在正電極上,而導電聚合物則用碳糊覆蓋,并使用導電銀漿連接到負電極上(圖 2)。整個結構以模壓環氧樹脂包覆,以提供機械強度和保護環境。由此形成扁平的無鹵素表面貼裝封裝,濕氣敏感性等級 (MSL) 為 3 級。鋁箔和氧化膜的多層(層壓)結構使得 Murata 的 ECAS 系列有別于典型的鋁電解電容器,如使用聚合物或電解質作為陰極的罐式纏繞結構。


          為什么采用聚合物鋁電解電容器可以解決電源設計的痛點?

          圖 2:ECAS 系列聚合物鋁電容器器件結構展示了導電聚合物(粉紅色)、蝕刻鋁箔(白色)、鋁 (Al) 氧化膜(藍色)、連接導電聚合物和負極的碳糊(棕色)和銀漿(深灰色),以及環氧樹脂外殼。(圖片來源:Murata)


          層壓結構和材料選擇組合使 ECAS 電容器具有電解電容器的最低 ESR。ECAS 系列聚合物鋁電容器的電容可與聚合物鉭 (Ta) 電容器、鉭二氧化錳 (MnO2) 電容器和多層陶瓷電容器 (MLCC) 媲美,其 ESR 則與 MLCC 相當,低于聚合物或 MnO2 鉭電容器(圖 3)。


          為什么采用聚合物鋁電解電容器可以解決電源設計的痛點?

          圖 3:與 MLCC 相比,聚合物鋁電容器(ECAS 系列)具有更高的電容值和相當的 ESR,另外其 ESR 也較低,并且電容與鉭和罐式鋁電容器相當。(圖片來源:Murata)


          對于成本敏感的應用,鋁電解電容器和鉭 (MnO2) 電容器可以提供相對便宜的解決方案。傳統的鋁或鉭電解電容器使用電解質或二氧化錳 (MnO2) 作為陰極。ECAS 電容器使用導電聚合物陰極,因而 ESR 更低、熱特性更穩定、安全性提高、使用壽命更長(圖 4)。MLCC 雖然相對便宜,但卻存在其他電容器技術所沒有的直流偏置特性。


          為什么采用聚合物鋁電解電容器可以解決電源設計的痛點?

          圖 4:聚合物鋁電容器提供的基本特性組合包括低 ESR、直流偏置特性、溫度特性、使用壽命和可靠性。(圖片來源:Murata)


          直流偏置特性是指 MLCC 在外加 DC 電壓下的電容變化。隨著施加的 DC 電壓增加,MLCC 的有效電容會減少。當 DC 偏置增加到幾伏時,MLCC 的標稱電容值會損失 40% 至 80%,因此不適合許多電源管理應用。


          聚合物鋁電解電容器的性能特點使其非常適用于電源管理應用,包括 CPU、ASIC、FPGA 和其他大型 IC 的電源,并支持 USB 電源系統的峰值功率需求(圖 5)。


          為什么采用聚合物鋁電解電容器可以解決電源設計的痛點?

          圖 5:例 1(上):目標應用使用的電源管理電路中的聚合物鋁電容器,用于消除紋波以及平滑并穩定電壓源。例 2(下):聚合物鋁電容器可以支持 USB 電源系統的峰值功率需求。(圖片來源:Murata)


          聚合物鋁電容器具有低 ESR、低阻抗和穩定的電容,非常適用于平滑和消除紋波等應用,特別是在電流負載波動較大的電源線上。在這些應用中,聚合物鋁電容器可以與 MLCC 組合使用。


          聚合物鋁電容器提供電源管理功能,而 MLCC 則過濾 IC 電源引腳的高頻噪聲。聚合物鋁電容器還支持 USB 電源系統的峰值功率需求,同時保持較小的印刷電路板基底面。


          聚合物鋁電容器


          根據額定值,ECAS 聚合物鋁電容器有四種 EIA 7343 公制外殼尺寸:D3:(7.3 mm x 4.3 mm x 1.4 mm 高);D4(7.3 mm x 4.3 mm x 1.9 mm 高);D6(7.3 mm x 4.3 mm x 2.8 mm 高);以及 D9(7.3 mm x 4.3 mm x 4.2 mm 高)。目前提供 DigiReel、切帶和卷帶等形式(圖 6)。其他規格包括:

          . 電容范圍:6.8 μF 至 470 μF
          . 電容公差:±20% 和 +10%/-35%
          . 額定電壓:2 Vdc 至 16 Vdc
          . ESR:6 mΩ 至 70 mΩ
          . 工作溫度:-40°C 至 +105°C


          為什么采用聚合物鋁電解電容器可以解決電源設計的痛點?

          圖 6:ECAS 聚合物鋁電容器有 DigiReel、切帶和卷帶等形式,外殼尺寸有 D3、D4、D6 和 D9。(圖片來源:Murata)


          Murata最近擴展了 ECAS 系列,包括 330 μF (±20%) 6.3 V 器件,如 ECASD60J337M009KA0,其 ESR 為 9 mΩ,外殼尺寸為 D4。電容值高有助于改善紋波平滑,所需的電容器數量更少,從而縮小整個解決方案的尺寸。


          例如,當用于過濾切換頻率 300 kHz 的 DC-DC 轉換器的輸出時,ECASD40D337M006KA0 330 μF (±20%)、ESR 為 6 mΩ 的 2 V 聚合物鋁電容器將產生 13 mVp-p 紋波電壓,相比之下,ESR 為 15 mΩ 的鋁聚合物電容器產生的紋波電壓為 36 mVp-p,或者 ESR 為 900 mΩ 的鋁電解電容器產生的紋波電壓為 950 mVp-p。


          ECAS電容器的其他示例包括 ECASD40D157M009K00,額定值為 150 μF (±20%) 和 2 Vdc,ESR 為 9 mΩ,采用 D4 外殼,以及 ECASD41C686M040KH0,額定值為 68 μF (±20%) 和 16 Vdc,ESR 為 40 mΩ,也采用 D4 外殼。ECAS 聚合物鋁電容器的特性包括:

          . 高電容與低 ESR 相結合
          . 在施加 DC 電壓/溫度/高頻率的情況下具有穩定的電容值
          . 出色的紋波吸收、平滑和瞬態響應
          . 無需電壓降額
          . 消除陶瓷電容器產生的聲學噪聲(壓電效應)
          . 產品上注明極性條(正)
          . 表面貼裝結構
          . 符合 RoHS 規范
          . 無鹵素
          . MSL 3 封裝


          設計考慮因素


          ECAS聚合物鋁電解電容器針對電源管理應用進行了優化;不建議將其用于時間常數電路、耦合電路或對漏電流敏感的電路。ECAS 電容器并非針對串聯進行設計。其他設計考慮因素包括:

          . 極性:聚合物鋁電解電容器是有極性的,必須以正確的極性連接。即使瞬時施加反向電壓也會損壞氧化膜,損害電容器的性能。
          . 工作電壓:當這些電容器用于 AC 或紋波電流電路時,峰-峰電壓 (Vp-p) 或偏移-峰電壓(Vo-p)(包括 DC 偏置),必須保持在額定電壓范圍內。在可能出現瞬態電壓的開關電路中,額定電壓必須足夠高,以包括瞬態峰值。
          . 涌流:如果預計涌流超過 20 安培 (A),則需要額外的涌流限制,將峰值浪涌保持在 20 A。
          . 紋波電流:ECAS 系列的每個型號都有禁止超過的額定紋波電流。過大的紋波電流會產生熱量,可能損壞電容器。
          . 工作溫度:


          在確定電容器的溫度額定值時,設計人員需要考慮到應用的工作溫度,包括設備內的溫度分布和任何季節性溫度因素。


          電容器的表面溫度必須保持在工作溫度范圍內,包括由特定應用因素(如紋波電流)引起的任何電容器自熱。


          總結


          對于功率輸送系統的設計人員來說,要實現能效、性能、成本、穩定性、可靠性和外形尺寸的最佳平衡極其困難,特別是在為大型 IC(如 MCU、ASIC 和 FPGA)供電時,以及在支持 USB 應用的峰值功率需求時。電源信號鏈的主要部件之一是電容器,這些器件有許多特征有助于滿足設計人員的要求 — 如果使用正確技術的話。


          如上所示,聚合物鋁電容器幫助設計人員找到了恰當的平衡。它們的結構確保在頻率高達 500 kHz 時的低阻抗、低 ESR、良好的紋波平滑,以及良好的噪聲抑制和電源線去耦。此外,它們不受 DC 偏置的限制,而且可以自愈,提高了運行的可靠性。由于不使用沖突材料,供應鏈也更可靠??傊?,聚合物鋁電容器為設計人員提供了更高性能的選擇,以應對各種電源管理系統的要求。

          (作者:Jeff Shepard,來源: 得捷電子DigiKey)

           

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