Alternative zum Vielschichtkondensator Polymerkondensatoren und MLCCs im Vergleich

Geeignete Kondensatoren für Elektronik-Designs finden - alles andere als einfach.
Polymer-Feststoffkondensatoren beanspruchen weniger Platz auf der Leiterplatte, sind aber schwieriger abzulösen.

Elektroingenieure sehen sich mehr und mehr mit der Herausforderung konfrontiert, hohe Performance und Leistungsdichte mit langer Lebensdauer, hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit in Einklang zu bringen. Können hier Polymerkondensatoren eine Alternative zu MLCCs sein?

Die Auswahl des passenden Ausgangs-/Eingangskondensators ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Schaltspannungswandlern. Die Bedeutung des Ausgangskondensators bei der Schaltung von Gleichspannungswandlern hängt damit zusammen, dass er (zusammen mit dem Hauptinduktor) das Reservoir der zum Ausgang fließenden elektrischen Energie darstellt und die Ausgangsspannung glättet.

Am Ein- und Ausgang eines Gleichspannungswandlers können verschiedene Kondensatortypen verwendet werden. Die Tabelle enthält eine Übersicht verschiedener Kondensatortypen – Elektrolytkondensator, OSCON, SP-Cap, POS-Cap (alle drei von Panasonic), Folienkondensator und Keramikvielschicht-Chipkondensator (MLCC) – mit ihren jeweiligen Leistungseigenschaften. Welcher Kondensatortyp (MLCC, Aluminium-Elektrolyt, Polymer oder Tantal) für eine bestimmte Konstruktion am besten geeignet ist, hängt in der Regel von der Anwendung ab.

Aufgrund seiner niedrigen ESR- und ESL-Werte und der geringen Kosten ist der MLCC-Kondensator der bei Weitem meistgenutzte Kondensatortyp für Eingangs- und Ausgangsfilter von Gleichspannungswandlern. Außerdem weist dieser Kondensatortyp keine größeren Zuverlässigkeitsprobleme auf. Wenn der Platz begrenzt ist, sind Allzweck-MLCCs grundsätzlich die beste Wahl. MLCCs eignen sich auch für Anwendungen, bei denen der Kondensator sehr hohe Stehspannungsleistungen und Sperrspannungen aushalten muss. Typische Polymerkondensatoren sind eine gute Wahl, wenn es sowohl auf höhere Kapazität als auch auf niedrigere ESR-Werte ankommt. Insbesondere die potenzielle Kosten- und Platzersparnis einzelner Polymerkondensatoren gegenüber einer Gruppe von MLCCs mit derselben Leistung kann bei der Entwicklung von Leiterplatten einen großen Unterschied ausmachen.

Polymerkondensatoren als Alternative zu MLCCs

Insbesondere die SP-Caps und POS-Caps sind mit ihrem kleinen Format der ideale Ersatz für MLCCs. Bei näherer Betrachtung lassen sich einige bedeutende Unterschiede zwischen den Eigenschaften dieser verschiedenen Technologien erkennen. Stabile Kapazität: Betrachtet man die Veränderung der Kapazität über einen großen Frequenzbereich bei verschiedenen Technologien, wird deutlich, dass Polymerkondensatoren eine sehr ähnliche Leistung aufweisen wie Keramikvielschicht-Chipkondensatoren.

Warum sollte jemand auf die Polymertechnologie umsteigen? Die Antwort auf diese Frage lautet: Ein MLCC kann bei gleicher Grundfläche und gleichem Volumen nicht dieselbe hohe Kapazität erreichen wie ein Polymerkondensator. Außerdem ist die Kapazität des MLCC aufgrund der Verwendung ferroelektrischer Dielektrika stark von der DC-Vorspannung abhängig. Hochkapazitive Keramikvielschicht-Chipkondensatoren weisen eine Eigenschaft auf, die viele Elektronikdesigner nicht richtig einordnen können. Die Kapazität dieser Geräte variiert mit der angelegten Gleichspannung, was zu einem Kapazitätsabfall von mehr als 70 Prozent gegenüber den im Datenblatt angegebenen Spezifikationen führen kann. Bei Polymerkondensatoren variiert die Kapazität nicht wesentlich, wenn sich die Anwendungsspannung ändert. Dank dieser Vorteile werden von SP-Caps oder POS-Caps erheblich geringere Stückzahlen benötigt als von MLCCs. Bei der Betrachtung typischer Temperatureigenschaften wird deutlich, dass die Kurve verschiedener MLCCs innerhalb des Toleranzbereichs der jeweiligen Produkte in unterschiedlicher Weise variiert. Bei Polymerkondensatoren nimmt die Kapazität mit steigender Temperatur linear zu.