Polymer-Elektrolytkondensatoren

Herausfordernde CPUs, ASICs und FPGAs gut versorgt

18. August 2022, 9:00 Uhr | Von Rolf Horn
Moderne CPUs, ASICs und FPGAs mit Strom zu versorgen, ist äußerst herausfordernd.Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren können die gestellten Herausforderungen meistern
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Moderne CPUs, ASICs und FPGAs mit Strom zu versorgen, ist äußerst herausfordernd. Besonders den Kondensatoren kommt eine zentrale Bedeutung zu. Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren können die gestellten Herausforderungen meistern.

Entwickler von Stromversorgungslösungen für elektronische Systeme und Subsysteme stehen ständig einem multidimensionalen Komplex an Herausforderungen gegenüber. Einerseits müssen sie den Wirkungsgrad, die Stabilität und die Zuverlässigkeit verbessern, die Kosten senken und den Formfaktor der Lösung verkleinern. Andererseits müssen sie die ständig steigenden Anforderungen der Anwendung erfüllen, einschließlich der Glättung der Eingangs- und Ausgangsströme von Stromversorgungen, der Unterstützung von Leistungsspitzen und der Unterdrückung von Spannungsschwankungen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, benötigen die 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 die Zuverlässigkeit im Betrieb als auch die Zuverlässigkeit der Lieferkette wichtig.

Betrachtet man die Herausforderungen und Optionen, so erweisen sich Polymer-Elektrolytkondensatoren als eine gute Lösung, da sie sich durch hohe elektrische Performance, Stabilität, geringes Rauschen, Zuverlässigkeit, einen kompakten Formfaktor und ein geringes Risiko in der Lieferkette auszeichnen, da sie keine Konfliktmaterialien verwenden. Sie zeichnen sich durch einen niedrigen ESR und niedrige Impedanzen bei Frequenzen bis zu 500 kHz aus und bieten eine hervorragende Rauschunterdrückung, Welligkeitsdämpfung und Entkopplungsleistung auf Stromleitungen. Sie sind auch bei hohen Betriebsfrequenzen und Temperaturen kapazitätsstabil.

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Aufbau und Eigenschaften

Polymer-Elektrolytkondensatoren bestehen aus einer Kathode aus geätzter Aluminiumfolie, einem hauchdünnen Dielektrikum aus Aluminiumoxid und eine leitfähige Polymer-Kathode. Je nach Bauteil sind sie mit Kapazitäten von 6,8 bis 470 µF erhältlich und decken einen Spannungsbereich von 2 bis 25 V Gleichspannung ab.

Elektrolytkondensators der ECAS-Serie.
Bild 1. Elektrolytkondensators der ECAS-Serie.
© Murata

Bei den Komponenten der ECAS-Serie von Murata beispielsweise 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 1). Die gesamte Struktur ist mit einem Epoxidharz ummantelt, das mechanische Festigkeit und vor Umwelteinflüssen schützt. Das daraus resultierende flache, oberflächenmontierbare Gehäuse ist halogenfrei und entspricht der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe MSL 3. Die mehrschichtige (laminierte) Struktur der Aluminiumfolie und des oxidierten Films unterscheidet die ECAS-Serie von Murata von typischen Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit gewickelten Strukturen, die entweder ein Polymer oder einen Elektrolyten als Kathode verwenden können.

Die Polymer-Aluminium-Kondensatoren der ECAS-Serie weisen im Vergleich zu MLCCs höhere Kapazitätswerte und vergleichbare ESRs auf, und niedrigere ESRs bei vergleichbarer Kapazität zu Tantal- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren
Bild 2. Die Polymer-Aluminium-Kondensatoren der ECAS-Serie weisen im Vergleich zu MLCCs höhere Kapazitätswerte und vergleichbare ESRs auf, und niedrigere ESRs bei vergleichbarer Kapazität zu Tantal- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren.
© Murata

Durch die Kombination aus der laminierten Struktur und der Materialauswahl haben die Kondensatoren dieser Serie einen für Elektrolytkondensatoren besonders niedrigen ESR-Wert. Sie bieten Kapazitäten, die mit denen von Polymer-Tantal-Kondensatoren (Ta), Tantal-Mangandioxid-Kondensatoren (Ta-MnO2) und Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) vergleichbar sind, sowie ESRs, die mit denen von MLCCs vergleichbar und niedriger als bei Polymer-Tantal- oder Ta-MnO2-Kondensatoren sind (Bild 2).

Bei kostensensiblen Anwendungen können Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Ta-MnO2-Kondensatoren relativ preiswerte Lösungen darstellen. Herkömmliche Aluminium- oder Tantal-Elektrolytkondensatoren verwenden einen Elektrolyten oder Mangandioxid als Kathode.

olymer-Elektrolytkondensatoren bieten die beste Kombination aus niedrigem ESR, Gleichstromvorspannungseigenschaften, Temperatureigenschaften, Lebensdauer und Zuverlässigkeit
Tabelle. Polymer-Elektrolyt-kondensatoren bieten die beste Kombination aus niedrigem ESR, Gleichstromvorspannungseigenschaften, Temperatureigenschaften, Lebensdauer und Zuverlässigkeit.
© Murata

Durch die leitfähige Polymerkathode in ECAS-Kondensatoren sinkt der ESR, die thermischen Eigenschaften sind stabiler, die Betriebssicherheit erhöht sich und die Lebensdauer verlängert sich (Tabelle). Zwar sind MLCCs relativ preiswert, aber Typen mit Klasse-II-Keramiken haben eine DC-Vorspannung (DC Bias), die bei anderen Kondensatortechnologien nicht gegeben ist.

Die DC-Bias-Charakteristik bezieht sich auf die Kapazitätsänderung eines MLCCs bei angelegter Gleichspannung. Steigt diese, nimmt die effektive Kapazität des MLCCs ab. Schon bei einigen Volt können MLCCs zwischen 40 und 80 Prozent ihrer Nennkapazität verlieren, sodass sie sich für viele Power-Management-Anwendungen nicht eignen.

Polymer-Elektrolytkondensatoren in einer Stromversorgungsschaltung zur Beseitigung der Restwelligkeit und zur Glättung und Stabilisierung von Spannungsquellen eingesetzt wird
Bild 3. Polymer-Elektrolytkondensatoren in einer Stromversorgungsschaltung zur Beseitigung der Restwelligkeit und zur Glättung und Stabilisierung von Spannungsquellen eingesetzt wird.
© Murata

Aufgrund ihrer Leistungsmerkmale eignen sich Polymer-Elektrolytkondensatoren sehr gut für Power-Management-Anwendungen, z. B. für die Stromversorgung von CPUs, ASICs, FPGAs und anderen großen ICs, sowie zur Deckung des Spitzenstrombedarfs in USB-Stromversorgungen (Bild 3).

In Power-Management-Anwendungen können Polymer-Elektrolytkondensatoren auch mit MLCCs kombiniert werden, denn Polymer-Elektrolytkondensatoren bieten die nötige Energiedichte, während MLCCs hochfrequentes Rauschen an den Power-Pins von ICs filtern.

Weitere Designüberlegungen

Die Polymer-Elektrolytkondensatoren der ECAS-Serie von Murata sind für den Einsatz in Power-Management-Anwendungen optimiert. Sie werden nicht für den Einsatz in zeitkonstanten Schaltungen, Koppelschaltungen oder Schaltungen empfohlen, die empfindlich auf Leckströme reagieren. Auch sind sie nicht für eine Reihenschaltung vorgesehen. Weitere Überlegungen zur Gestaltung sind:

Polarität: Polymer-Elektrolytkondensatoren sind gepolt und müssen mit der richtigen Polarität angeschlossen werden. Selbst ein kurzzeitiges Anlegen einer Spannung mit falscher Polung kann die Oxidschicht beschädigen und die Leistung des Kondensators beeinträchtigen.
Betriebsspannung: Wenn diese Kondensatoren mit einem Brummstrom (Ripple) belastet wird, muss die Spitze-Spitze-Spannung oder die maximale Spannung 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.
Restwelligkeit: Jedes Modell der ECAS-Serie verfügt über spezifische Brummstromwerte, die nicht überschritten werden dürfen. Zu hohe Brummströme erzeugen Wärme, die den Kondensator beschädigen kann.
Betriebstemperatur, Teil 1: Bei der Bestimmung der Temperaturperformance des Kondensators müssen die Entwickler die Betriebstemperatur der Anwendung berücksichtigen, einschließlich der Temperaturverteilung innerhalb der Anlage und etwaiger saisonaler Temperatureinflüsse.
Betriebstemperatur, Teil 2: Die Oberflächentemperatur des Kondensators muss innerhalb des Betriebstemperaturbereichs bleiben, einschließlich einer eventuellen Selbsterhitzung des Kondensators, die sich aus den spezifischen Anwendungsfaktoren wie z. B. Welligkeitsströmen ergibt.

Das richtige Gleichgewicht finden

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 Unterstützung von Spitzenleistungsanforderungen in USB-Anwendungen.

Wie gezeigt, können Polymer-Elektrolytkondensatoren den Entwicklern helfen, das richtige Gleichgewicht zu finden. Ihr Aufbau gewährleistet niedrige Impedanzen bei Frequenzen bis zu 500 kHz, einen niedrigen ESR, eine gute Glättung der Welligkeit sowie eine gute Rauschunterdrückung und Entkopplung auf Stromleitungen. Außerdem leiden sie nicht unter den Einschränkungen des DC-Bias-Effekts und sind selbstheilend, was die Betriebszuverlässigkeit verbessert. Außerdem ist die Lieferkette zuverlässig, da sie keine Konfliktmaterialien verwenden.

 

Der Autor

 

Rolf Horn von Digi Key
Rolf Horn von Digi Key.
© Digi-Key

Rolf Horn

Der Applikationsingenieur bei Digi-Key Electronics ist seit 2014 in der technischen Supportgruppe für Europa tätig und in erster Linie für die Beantwortung aller Art von entwicklungs- und ingenieurtechnischen Fragen von Endkunden in DACH und Benelux sowie für das Schreiben und Korrekturlesen von deutschen Artikeln und Blogs auf den Plattformen TechForum und maker.io von Digi-Key zuständig.
 
Vor seiner Zeit bei Digi-Key arbeitete er bei verschiedenen Herstellern im Halbleiterbereich mit Schwerpunkt auf eingebetteten FPGA-, Mikrocontroller- und Prozessorsystemen für IoT, Industrie- und Automobilanwendungen. Horn hat einen Abschluss in Elektrotechnik und Elektronik von der Fachhochschule München und begann seine berufliche Laufbahn bei einem lokalen Distributor für Elektronikkomponenten als MCU-System-Solutions-Architekt, um sein stetig wachsendes Wissen und seine Expertise als Trusted Advisor an Kunden weiterzugeben.


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