Charakterisierung von Kondensatoren Polymer- versus Keramik-Kondensatoren

Mit den aktuellen Elektronik-Designs einen geeigneten Kondensatoren zu wählen ist nicht leicht.
Anhand von zahlreichen Spezifikationsvorgaben einen geeigneten Kondensatoren auszuwählen, ist nicht leicht.

Auf den ersten Blick mag dem Entwickler die Auswahl eines geeigneten Kondensators meist recht einfach erscheinen. Doch angesichts der Anforderungen, Problemstellungen und Erwartungen an aktuelle Elektronik-Designs ist sie alles andere als das.

Selbst Elektroingenieure meinen oft, man brauche lediglich auf den richtigen Spannungs- und Kapazitätsbereich zu achten – und liegen damit bei den anspruchsvollen Designs von heute vollkommen daneben. Während es beim Gleichspannungswandler bisher vor allem auf hohen Wirkungsgrad, Störungsarmut und geringe Größe ankam, spielt in jüngster Zeit unter anderem auch ein möglichst schnelles Einschwingverhalten beim Lastwechsel eine wichtige Rolle. Das liegt daran, dass integrierte Schaltungen inzwischen mit immer höheren Geschwindigkeiten, größeren Stromstärken und niedrigeren Spannungen arbeiten.

Diese Errungenschaften der Halbleiterindustrie bestimmen die Trends der heutigen und zukünftigen elektronischen Geräte: effiziente Leistungsaufnahme, steigender Laststrom, Miniaturisierung und immer höhere Schaltfrequenzen. Beim IC-Betrieb mit hohen Geschwindigkeiten und großen Stromstärken treten größere Stromlastschwankungen auf, während der Niederspannungsbetrieb eine besonders präzise und stabile Spannungsregelung erfordert.

In jedem Fall muss die Einschwingzeit besonders kurz sein, damit der Wandler die ICs unterstützen kann. Diese Trends verlangen nach Kondensatoren, die höhere Stromlasten vertragen und zugleich immer weniger Platz benötigen.

Welcher Kondensator ist geeignet für Schaltregler-Designs?

Die Auswahl des passenden Ausgangs-/Eingangskondensators ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Schaltspannungswandlern; dazu passt die folgende Stellungnahme: »...rund 99 Prozent der sogenannten Design-Probleme bei Linear- und Schaltreglern sind direkt auf den unsachgemäßen Einsatz von Kondensatoren zurückzuführen...«. Diese Aussage kann jedermann im National Semiconductor IC Power Handbook nachlesen.

Die Bedeutung des Ausgangskondensators bei Gleichspannungs-Wandlerschaltungen hängt u.a. damit zusammen, dass er (zusammen mit der Hauptinduktivität) das Reservoir der zum Ausgang fließenden elektrischen Energie darstellt und die Ausgangsspannung glättet. Der Eingangskondensator indes wird benötigt, um die Spannung aufrechtzuerhalten und eine stabile Schienenspannung für den Wandler bereitzustellen. Um den geeigneten Eingangskondensator für einen Gleichspannungswandler zu finden, ist es für den Schaltungsentwickler also wichtig, dass er die maximal zulässige Verlustleistung des Wandlers kennt.

Im Allgemeinen stehen für den Ein- und Ausgang eines Gleichspannungswandlers verschiedene Kondensatortypen zur Auswahl. Die Tabelle listet in diesem Zusammenhang verschiedene Kondensatortypen aus dem Hause Panasonic auf; zu nennen sind Elektrolytkondensator, OSCON, SP-Cap, POS-Cap, Folienkondensator und Keramikvielschicht-Chipkondensator (Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC), deren Vor- und Nachteile anhand wichtiger Leistungsmerkmale dargestellt werden. Denn die Frage, welcher Kondensatortyp – MLCC, Aluminium-Elektrolyt, Polymer oder Tantal – für eine bestimmte Konstruktion am besten geeignet ist, hängt in der Regel von der Anwendung ab.

  • Grundsätzlich lassen sich bei den eben aufgeführten Typen folgende Unterschiede feststellen: Elektrolytkondensatoren bieten die größte Kapazität, leiden bei höheren Temperaturen und Frequenzen aber unter einer signifikanten Verschlechterung der Kapazität und des Ableitstroms.
  • Keramikkondensatoren weisen aufgrund ihrer sehr niedrigen ESR- (Equivalent Series Resistance) und ESL-Werte (Equivalent Series Inductance) ein hervorragendes Einschwingverhalten auf, bieten dafür jedoch eine geringere Kapazität. Sie können bei sehr hohen Welligkeitsströmen betrieben werden, sind aber anfällig für Alterungsfehler und erfordern geringere elektrische Feldstärken.
  • Polymerkondensatoren werden hauptsächlich in Stromversorgungen integrierter elektronischer Schaltungen insbesondere für Geräte mit flacher oder kompakter Bauform als Puffer-, Ableit- und Entkoppelkondensatoren eingesetzt. Sie stehen in Konkurrenz zu MLCC-Kondensatoren, bieten aber höhere Kapazitätswerte als diese. Außerdem weisen sie keinen Mikrofonieeffekt auf, der beispielsweise bei Keramikkondensatoren der Klassen 2 und 3 auftritt.

Favorisiert: Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (MLCC

Aufgrund der niedrigen ESR- und ESL-Werte sowie der geringen Kosten ist der MLCC-Kondensator der am meisten genutzte Kondensatortyp, wenn Eingangs- und Ausgangsfilter für Gleichspannungswandler aufgebaut werden müssen. Außerdem weist dieser Kondensatortyp keine größeren Zuverlässigkeitsprobleme auf. Bedeutet das, dass für Gleichspannungswandler nur MLCC-Kondensatoren in Frage kommen?

Es ist nicht ganz so einfach, wie es scheint, zumal die Verwendung dieser MLCCs in Gleichspannungswandlern auch mit einigen unschönen Nachteilen verbunden ist:

  • Geringe Kapazität pro Volumen, insbesondere bei dielektrischen Materialien der Klasse 1 (NO/COG)
  • Große Gehäuse, die beim Biegen der Leiterplatte zu Rissbildung neigen
  • Starke Abhängigkeit von der DC-Vorspannung
  • Piezo-Effekte

Sofern diese Nachteile schwerer wiegen al sdie Vorzüge, wird er nach Alternativen Ausschau halten und dabei auch Polymerkondensatoren einbeziehen. In der Regel kommt dabei das Unternehmen Panasonic als Hersteller von Polymer-Aluminium-Feststoffkondensatoren ins Spiel: Zur Auswahl stehen SP-Caps und OS-CON, Tantal-Polymerkondensatoren – z.B. POS-CAP – sowie hybride Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

Hochleitfähige Polymer-Feststoffkondensatoren, im Folgenden als „Polymerkondensatoren“ bezeichnet, zeichnen sich (ebenso wie herkömmliche Aluminium-Elektrolytkondensatoren) durch große Kapazitätswerte und hervorragende Vorspannungseigenschaften aus, mit denen Keramikvielschicht-Chipkondensatoren niemals mithalten können.

Darüber hinaus weisen Polymerkondensatoren extrem niedrige ESR-Werte auf. Ähnlich gut sieht es bei den ESL-Eigenschaften aus, die durch die interne Struktur und die Anschlusskonfiguration der Kondensatoren bestimmt werden. Auch in Bezug auf das Austrocknen des Elektrolyts während der Nutzungsdauer und die Veränderung der Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen bieten die Polymerkondensatoren – dank der Verwendung fester Polymermaterialien – ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und hervorragende Tieftemperatureigenschaften.