Polimerkondenzátorok mint MLCC alternatívák

Bár egyes iparági szakemberek véleménye szerint a többrétegű kerámiakondenzátorokat (MLCC) érintő áruhiány 2020 végére megoldódik, a termékgyártók továbbra is aggódnak. A megfelelő alternatív megoldás felkutatására irányuló küldetés keretében egy több mint 650 000 tervezőmérnököt számláló online közösség lendületes tervezési versenyt hirdetett, amely többek között annak tesztelésére is kiterjedt, hogy a polimerkondenzátorok mennyire érnek fel kerámiából készült alternatíváikkal.

A legjobb MLCC-helyettesítők nyomában

A mobilitás fellendülése – a mobil számítástechnika és az autóipar tekintetében egyaránt – hatalmas keresletet támasztott a többrétegű kerámiakondenzátorok iránt. Az MLCC-gyártási eljárások összetettsége (ami a kerámia és fém nanorétegek váltakozó alkalmazását jelenti) csupán maréknyi, a következetes minőségellenőrzés megvalósítására képes gyártócégre szűkítette az előállítást.
A jó hír azonban az, hogy a mérnökök többféle módon is kikerülhetik az MLCC használatát terveikben, amennyiben nem tudják megoldani a beszerzését. Az egyik megközelítés a nagyobb kapacitív ellenállás alkalmazása egy elérhető csomagban, feltéve, hogy ez nem követeli meg a panel alapvető újratervezését. Egy másik a kisebb kapacitásértékű kondenzátorok párhuzamos használatára épül. Ezenkívül akár teljes egészében eltérő kondenzátortechnológiát is igénybe vehetnek – például azt, amely a vezetőképes polimerkondenzátorokra épül.

Az element14 online közösség ez utóbbi alternatívát tesztelte – Kísérletezés polimerkondenzátorokkal című tervezési versenyén – érdekes eredményekkel.

A tervezői kihívás indulóit egy olyan készlettel látták el, amely a Panasonic polimerkondenzátorok 17 típusát tartalmazta 4,7 µF-tól 470 µF-ig terjedő kapacitásértékekkel. Egy Peak ekvivalens soros ellenállású (ESR) kondenzátortesztelő pedig lehetővé tette számukra egy sor kihívás teljesítését (pl. a kísérletezést a különböző kondenzátorokkal, eredeti áramkörök építését vagy meglévők módosítását), miközben felfedezéseiket folyamatosan blog-bejegyzésekben rögzítették.

Egy tipikus polimerkondenzátor-struktúra

Az ekvivalens soros ellenállás (ESR) mérésére szolgáló legjobb módszer meghatározása

Az első kihívás az ekvivalens soros ellenállás (ESR) és az elektrolitkondenzátorokra jellemző tényleges kapacitív ellenállás legjobb mérési módszerének megtalálása volt. Ezek a legfontosabb mérendő paraméterek közé tartoznak, hiszen napjaink mikroprocesszorra épülő rendszerei olyan áramforrásokat igényelnek, amelyek nagy áramerősséget és rendkívül gyors tranziens teljesítményt nyújtanak szigorú szabályozás mellett. Ez megteremti a költséghatékony, kompakt méretű és nagy kapacitív ellenállásértékeket biztosító kondenzátorok igényét.
Bár az ideális kondenzátornak nincs soros ellenállása, az ESR minden valódi kondenzátor esetén fennáll, még ha igen kis értékkel is. Az ESR-érték nem csupán a kondenzátor új korában befolyásolja az áramköri viselkedést, de az idő előrehaladtával romolhat is az elöregedés (pl. az elektrolit kiszáradása egyes kondenzátorokban) a helytelen használat vagy túlmelegedés miatt.
A teljesítményveszteség fokozódik, ami ördögi kört előidézve folyamatosan romló teljesítménnyel jár.
A tagok által megvalósítandó egyik első kísérlet a polimerkondenzátorok legmegbízhatóbb ESR-mérési módjának megtalálását tűzte ki céljául. A tagok oszcilloszkóp és ESR-mérő segítségével mérték a Panasonic polimerkondenzátorok relatív ESR-értékét, amely megfelelt a vizsgált körülményekre vonatkozó adatlapi specifikációknak. A tagok az ESR-mérés során rendkívül ügyeltek a vezeték elhelyezésére és az érintkezésre.
A kapott eredmény: Bár mindkét módszer hasonló eredményeket hozott, néhány jelentős szempont említést igényel.
A kapacitásmérések jó egyezést mutattak az ESR70 és a Tenma 72-1020 asztali multiméter között, jóllehet az ESR70 következetesen alacsonyabb értékeket mért a Tenma 72-1020 készüléknél. A Peak ESR70 egyszerűen használhatónak bizonyult ugyan, de nem rendelkezett elegendő pontossággal és precizitással a körülbelül 0,04 ohm alatti ESR-értékek méréséhez. Az oszcilloszkópos módszer bonyolultabb beállítást igényelt, és a használata is lassabb volt, mégis az ESR70-hez hasonló eredményeket produkált. Az oszcilloszkópos módszernek azonban néhány előnye is volt. Például a frekvencia változtatása vagy csupán a nyomvonal alakjának megfigyelése révén további betekintés nyerhető a kondenzátor ideálistól eltérő egyéb viselkedésmódjába (pl. induktivitás).

Búgófeszültség mérése MLCC-re és polimerkondenzátorra

A polimerkondenzátorok hatása a váltáskor jelentkező kimeneti hullámosság csökkentésére

A következő kísérlet a kerámiakondenzátorok polimerkondenzátor-technológiára cserélésének hatását vizsgálta. A tagok tömbkondenzátorral láttak el egy TI SWIFT tápmodult, hogy megvizsgálják a váltáskor jelentkező kimeneti hullámosság polimerkondenzátorok által elősegített esetleges csökkentését.
A TPSM84A21 10 A SWIFT tápmodul egy kapcsolóüzemű átalakító, amely 8–14 V egyenfeszültségű bemenetet fogad, majd azt 0,508–1,3 V egyenfeszültségű, legfeljebb 10 A áramerősségű kimenetté alakítja. A modul be- és kimeneti kondenzátorokat egyaránt tartalmaz a készülékbe építve, ezért rendes körülmények között nincs szükség külső kapacitásra. Ha azonban a bemeneti tápegység néhány hüvelyknél távolabb helyezkedik el a TPSM84A21 átalakítótól, akkor kiegészítő tömbkondenzátorra lehet szükség a bemeneti lábakon. A bemeneti tömbkapacitás jellemző ajánlott mennyisége 47–100 µF.
A közösség tagjai azt tesztelték, hogy segítene-e a helyzeten egy alacsony ESR-értékű polimerkondenzátor. Rendkívül alacsony ESR-érték szükséges a búgófeszültség amplitúdójának csökkentéséhez, ami általában kerámiakondenzátorok használatát igényli. Ebben azok a Panasonic alumíniumpolimer-kondenzátorok jelentik a kerámiakondenzátorok egyik alternatíváját, amelyek egyetlen alumíniumpolimer-kondenzátort állítanak az egyébként több kerámiakondenzátorral megoldott elrendezés helyébe.
A teszteredményekből látható, hogy korlátozott számú körülmény kiértékelésére került sor viszonylag alacsony kimeneti teljesítményfeltételek mellett. Az első tesztben (1. táblázat, 1–4 mérés) nem használtak külső tömbkapacitást, amelynek eredményeként a búgófeszültség a 8 mV-os tartományban maradt.

1. táblázat

A váltáskor jelentkező áramhullámosság és zaj a modul kapcsolási frekvenciájával azonos frekvencián lépett fel.
A tagok ezután a külső bemeneti tömbkapacitás hozzáadásával kísérleteztek, amelyhez egy felületszerelt, 120 µF-os Panasonic vezetőképes szilárd alumíniumkondenzátort használtak. A hozzáadott tömbkapacitás mellett a búgófeszültséget következetesen 5,6 mV körüli értéken mérték (2. táblázat, 5–7 mérés). A bemeneti tömbkondenzátor hozzáadása tehát 8 mV-ról 5,6 mV-ra, azaz jóval az adatlapon szereplő érték alá csökkentette a búgófeszültéget.

2. tábázat

Ha az áramhullámosságot és a zajt szűréssel nem csökkentik, elég magas szinteket érhetnek el ahhoz, hogy hatást gyakoroljanak a tápegységre csatlakoztatott eszközökre. A tömbkapacitás hozzáadásával a kísérlet kimutatta, hogyan csökkenthető a kimeneti búgófeszültség, ami a kimeneti áramhullámosságra és zajra is mérséklő hatással van.

1. ábra  Töltésszivattyú

2. ábra  Táposzcillátor

MLCC kontra polimer: töltésszivattyú-teljesítménytesztek

A kísérletsorozat újabb kulcsfontosságú eleme egy töltésszivattyú alkalmazására összepontosított, amelynek során a polimerkondenzátorok teljesítményét az MLCC-kondenzátorokéval vetették össze. A töltésszivattyú alábbi áramkörét tervezték meg hozzá 12 V-os bemenettel (1. ábra). A töltésszivattyú kimenetének terhelés nélkül ~48 V értékűnek kellett lennie. A töltésszivattyú meghajtásához egyszerű táposzcillátort terveztek (2. ábra).
A terv csupán a félhíd típusú meghajtó egyik kimenetét használta fel, mivel a kondenzátorok polarizáltak, és a teljes híd felcserélte volna a polaritást. A töltésszivattyúkat MLCC- és polimerkondenzátorokból állították össze, ahol mindkét típus 10 µF-os kondenzátorait 50 V-ra méretezték. Az eredmények a 3. táblázatatban láthatók.
A tagok megállapították, hogy terhelés nélkül mindkét töltésszivattyú azonos feszültségnövelést ért el: 12 V-os bemenettel 47 V-os kimenetet állítottak elő. Azonban a 49 V-os kimenet megvalósításához az MLCC-áramkörnek további 2 V-ra volt szüksége a bemeneten, ami 13%-os növekedést jelent a bemeneti feszültség szempontjából.

• Polimerkondenzátoros töltésszivattyú: 49 V-os kimenet és egy ragasztópisztoly-hevítő terhelése mellett a bemeneti teljesítmény 7,94 W, a kimeneti teljesítmény pedig 6,76 W volt, ami 85,2%-os hatásfokot eredményezett.

• MLCC-kondenzátoros töltésszivattyú: 49 V-os kimenet és egy ragasztópisztoly-hevítő terhelése mellett a bemeneti teljesítmény 9,15 W, a kimeneti teljesítmény pedig 6,82 W volt, ami 74,5%-os hatásfokot eredményezett.

3. táblázat

A tesztek azt is kimutatták, hogy az MLCC-áramkör kimeneti búgófeszültsége körülbelül 5-ször magasabb volt a polimerkondenzátoros áramkörénél, ami fontos tényezőnek számítana, ha tápegységként használnák fel. Azonos bemeneti feszültség (12 V) mellett a polimerkondenzátoros áramkör mintegy 6-szor nagyobb feszültséget állított elő (terhelés alatt) az MLCC-áramkörhöz képest, ami hozzávetőlegesen 17%-kal magasabb értéket jelent.

MLCC-vel és polimerkondenzátorral megépített töltésszivattyú mérése

A polimerkondenzátorok az MLCC-k valódi alternatíváját jelentik

A verseny lezárultával a töltésszivattyú-áramkörös alkalmazás igazolta, hogy a polimerkondenzátorok jelentősen jobb teljesítményre képesek MLCC-megfelelőiknél, különösen akkor, ha az üzemi feszültség közel van a kondenzátor névleges feszültségéhez.
Ez a néhány kísérlet tehát nagyon ígéretesnek mutatja a polimerkondenzátorokat a többrétegű kerámiakondenzátorok helyettesítésében. A polimerkondenzátorok ténylegesen tanúbizonyságot tettek előnyeikről MLCC-alternatíváikkal szemben – különösen az alacsony ESR-érték, a váltáskor jelentkező kimeneti áramhullámosság csökkentése és az energiahatékonyság javítása terén.
Az MLCC kondenzátorok hiánya nem csupán ezeket a kísérleteket inspirálta, de a tervezői közösségben is élénk párbeszédet indított el általában a passzív alkatrészek és a vezetőképes polimerkondenzátorok használata témájában. Bár az MLCC kondenzátorok kereslete és kínálata szükségszerűen stabilizálódni fog a jövőben, a jelenlegi MLCC-hiány segített kitágítani a határokat és ismereteket szerezni a vezetőképes polimerkondenzátorok valódi képességeiről, reflektorfénybe állítva az MLCC-technológia legfontosabb alternatíváit, amelyekkel akár elkerülhetők is lehetnek a jövőben az ellátás terén jelentkező kihívások.

Szerző: Randall Scasny – Senior közösségitartalom-szakértő, Farnell

Farnell
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

http://hu.farnell.com