ПОЛИМЕРНО-АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ECAS

Разработчики схем питания и другой радиоэлектроники постоянно ищут возможности повышения эффективности преобразования при обеспечении стабильного питания в широком диапазоне температур, с низким уровнем пульсаций и шумов. Все эти ключевые параметры должны быть обеспечены при высокой надежности, низких затратах и наименьших габаритах. Кроме того, схемы электроснабжения должны обеспечивать высокие выходные токи, в том числе большие мгновенные мощности при малых колебаниях напряжения.

Полимерно-алюминиевые конденсаторы в блоках питания

Для решения этих задач разработчикам нужны электролитические конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), малым сопротивлением на высоких частотах, низким уровнем пульсаций выходного напряжения и шумов, а также имеющим быструю реакцию на переходные процессы (внезапные скачки напряжения или высокие значения). Кроме того важна эксплуатационная надежность таких компонентов, а также доступность.

Именно полимерно-алюминиевые электролитические конденсаторы оказываются хорошим решением в такой ситуации, поскольку характеризуются отличными электрическими параметрами, стабильностью во времени и надежностью, низкими значениями ESR и ESL, компактным корпусом. Эти элементы имеют низкое эквивалентное последовательное сопротивление ESR, составляющее один миллиом, и низкое сопротивление на высоких частотах (до 500 кГц), обеспечивая превосходное подавление шумов и пульсаций, а также хорошие характеристики развязки на линиях электропитания. Они также характеризуются стабильностью емкости при высоких рабочих частотах и при изменении температуры.

Как изготавливают полимерно-алюминиевые конденсаторы

Полимерно-алюминиевые конденсаторы содержат анод из травленой алюминиевой фольги, диэлектрик из оксидированной алюминиевой фольги и катод из проводящего полимера. В зависимости от конкретной версии они доступны в диапазоне емкости от 6,8 до 470 мкФ, а диапазон номинального напряжения составляет от 2 до 25 В.

ПОЛИМЕРНО-АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ECAS
Схема конструкции полимерно-алюминиевого электролитического конденсатора, состоящего из вытравленного диэлектрического анода и проводящего полимерного катода

В компонентах Murata серии ECAS протравленная алюминиевая фольга прикрепляется непосредственно к положительному выводу, а токопроводящий полимер покрывается углеродной пастой и соединяется с отрицательным выводом с помощью проводящей серебряной пасты. Вся конструкция залита эпоксидной смолой, обеспечивающей механическую прочность и защиту от окружающей среды. Полученный низкопрофильный корпус для поверхностного монтажа не содержит галогенов и классифицируется как MSL-3 по чувствительности к влаге. Многослойная (ламинированная) структура, содержащая чередующуюся и оксидированную травленую фольгу, отличает элементы ECAS от типичных алюминиевых электролитических конденсаторов содержащих свернутую фольгу в виде длинных полос, использующих электролит в качестве катода.

ПОЛИМЕРНО-АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ECAS
Конструкция полимерно-алюминиевого конденсатора серии ECAS с проводящим полимером (розовый), травленой алюминиевой фольгой (белый), окисленной алюминиевой фольгой (синий), углеродной пастой (коричневая) и серебряной пастой (темно-серая), которая сочетает в себе проводящий полимер с отрицательным электродом и корпусом из эпоксидной смолы

Благодаря многослойной конструкции и используемым материалам, конденсаторы ECAS имеют самое низкое значение ESR среди электролитов. Эти элементы обеспечивают емкости сравнимые с полимерно-танталовыми конденсаторами (Ta), исполнения на основе диоксида марганца (Ta MnO 2) и с многослойными керамическими компонентами (MLCC), с ESR сравнимыми с MLCC и меньшими чем у полимерных или MnO 2 конденсаторов.

ПОЛИМЕРНО-АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ECAS
Полимерно-алюминиевые конденсаторы (серия ECAS) характеризуются более высокими значениями емкости и близким ESR по сравнению с MLCC и меньшим ESR при сопоставимой емкости с танталовыми конденсаторами и обычными алюминиевыми вариантами

Там где важна низкая стоимость, алюминиевые электролитические конденсаторы и конденсаторы Ta MnO 2 могут оказаться наиболее выгодными. Использование проводящего полимерного катода в ECAS приводит к более низкому ESR, более стабильным тепловым характеристикам, повышению безопасности и увеличению срока службы. Элементы MLCC хотя и недорогие, имеют тот недостаток, что их емкость зависит от напряжения смещения, чего нет в других технологиях.

ПОЛИМЕРНО-АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ECAS
Полимерно-алюминиевые конденсаторы обеспечивают низкое ESR, их емкость не зависит от приложенного напряжения и обеспечивают хорошие параметры по допустимым рабочим температурам, ресурсу и надежности

Эффект изменения емкости в зависимости от напряжения смещения конденсатора распространяется на керамический материал в конденсаторах MLCC. По мере увеличения приложенного постоянного напряжения эффективная емкость уменьшается, и когда напряжение постоянного тока на контактах этого компонента превышает несколько вольт, MLCC может упасть на 40–80 % от номинального значения емкости, что делает их непригодными для многих устройств преобразования энергии.

Характеристики полимерно-алюминиевых конденсаторов

Характеристики полимерно-алюминиевых конденсаторов делают их хорошо подходящими для преобразователей энергии, включая источники питания для процессоров, ASIC, FPGA и других сложных интегральных микросхем, а также для удовлетворения больших требований к мгновенной мощности в USB.

ПОЛИМЕРНО-АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ECAS
Полимерно-алюминиевые конденсаторы в схеме управления питанием используются для уменьшения пульсаций и сглаживания напряжений, а также для стабилизации источников. Внизу показывается, как они могут обеспечить требования к пиковой мощности для питания USB

Версии из полимера-алюминия имеют низкий ESR и сопротивление, а также обеспечивают стабильное значение емкости, что делает их подходящими для таких узлов схем, как сглаживание формы сигнала и подавление пульсаций, особенно в БП с большими колебаниями тока нагрузки. В этих случаях полимерно-алюминиевые конденсаторы могут использоваться вместе с MLCC. В этой комбинации полимерно-алюминиевые элементы обеспечивают накопление энергии, а MLCC отфильтровывают высокочастотные помехи на выводах питания.

ПОЛИМЕРНО-АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ECAS
Конденсаторы ECAS выпускаются в корпусах D3, D4, D6 и D9 и поставляются как DigiReel в полосовых секциях и заводской упаковке

Конденсаторы серии ECAS доступны в четырех размерах корпуса по стандарту EIA 7343: D3: (7,3 х 4,3 х 1,4 мм), D4 (7,3 х 4,3 х 1,9 мм), D6 (7,3 х 4,3 х 2,8 мм) и D9 (7,3 х 4,3 мм). Диапазон доступных емкостей: от 6,8 до 470 мкФ, допуск ± 20 % и +10 % / – 35 %, а также номинальное напряжение: 2–16 В. Значение ESR варьируется от 6 до 70 мОм в зависимости от компонента. Рабочая температура –40 … +105°С.

Murata недавно расширила семейство ECAS до версий 330 мкФ (± 20%) 6,3 В, таких как ECASD60J337M009KA0 с ESR 9 мОм в корпусе D4. Более высокие значения емкости могут уменьшить количество конденсаторов, необходимых в схеме.

Например, при использовании такого элемента для фильтрации выходного напряжения в DC-DC преобразователе работающем на частоте 300 кГц, такой конденсатор (330 мкФ при ESR = 6 мОм, при 2 В) будет давать напряжение пульсаций около 13 мВ на размах. Это намного меньше по сравнению с алюминиево-полимерным конденсатором с ESR = 15 мОм, у которого пульсации будут 36 мВ, или обычным алюминиевым конденсатором с ESR = 900 мОм – 950 мВ.

Общие характеристики полимерно-алюминиевых конденсаторов ECAS:

  • высокая емкость в сочетании с низким ESR,
  • стабильное значение емкости, нечувствительное к величине постоянного напряжения/температуры, в том числе на высоких частотах,
  • отличное подавление пульсаций, сглаживание напряжений и отклик на переходные процессы,
  • нет необходимости снижения номинальных характеристик с точки зрения рабочего напряжения,
  • отсутствие акустического эффекта керамических конденсаторов из-за пьезоэффекта,
  • поляризация отмечена полосой на корпусе,
  • совместимость с RoHS и безгалогенная конструкция SMD.

Конденсаторы ECAS были оптимизированы для устройств преобразования энергии и не рекомендуются для использования в цепях постоянной времени, связи или цепях, чувствительных к утечке. Эти элементы не предназначены для последовательного соединения и требуют внимания к следующему:

Полярность: это поляризованные компоненты и должны быть подключены с соблюдением полярности. Даже кратковременное приложение обратного напряжения может повредить изолирующий оксидный слой и ухудшить рабочие характеристики.

Рабочее напряжение: в цепях переменного или пульсирующего тока размах напряжения (Vpp) или постоянного напряжения до пиковой пульсации должно поддерживаться в пределах диапазона номинального напряжения. В коммутационных цепях, где могут присутствовать переходные напряжения, номинальное напряжение должно быть достаточно большим, чтобы доступный диапазон также охватывал переходные процессы.

Пусковой ток: Если ожидается что пусковой ток превысит 20 А, требуется дополнительный ограничитель.

Ток пульсации: каждый компонент серии ECAS имеет определенный номинальный ток пульсации, который не должен превышаться так как он перегреется и сократит свой срок службы.

Рабочая температура: при определении номинальной температуры конденсатора разработчики должны учитывать диапазон рабочих температур в схеме, включая распределение температуры внутри блока и любые сезонные факторы. Температура корпуса конденсатора должна быть в пределах диапазона рабочих температур, включая самонагрев конденсатора, например из-за пульсаций тока и ESR.

ПОЛИМЕРНО-АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ECAS

Таким образом, полимерно-алюминиевые конденсаторы помогают разработчикам электроники найти правильный баланс между ключевыми требованиями к конструкции. Они обеспечивают низкое сопротивление на частотах до 500 кГц, низкое значение ESR, что выражается в хорошем сглаживании пульсаций, а также хорошее подавление переходных процессов и качество развязки на линиях питания. Кроме того, эти конденсаторы не имеют ограничений по напряжению смещения и самостоятельно восстанавливают незначительные повреждения изоляции, повышая общую надежность.