Perché e come utilizzare i condensatori in alluminio polimerico per alimentare efficacemente CPU, ASIC, FPGA e USB

I progettisti di soluzioni di alimentazione per sistemi e sottosistemi elettronici, compresi i CI, i CI specifici per le applicazioni (ASIC), le unità di elaborazione centrale (CPU) e i gate array programmabili sul campo (FPGA), così come l'alimentazione USB, sono costantemente alla ricerca di modi per migliorare l'efficienza garantendo al contempo un'alimentazione stabile e senza rumore su ampi intervalli di temperatura in un fattore di forma compatto. Devono migliorare l'efficienza, la stabilità e l'affidabilità, abbassare i costi e ridurre il fattore di forma della soluzione. Allo stesso tempo, devono soddisfare i requisiti di potenza sempre crescenti dell'applicazione, tra cui il livellamento delle correnti di ingresso e di uscita dei circuiti di alimentazione, il supporto delle richieste di potenza di picco e la soppressione delle fluttuazioni di tensione.

Per soddisfare queste esigenze, i progettisti necessitano di condensatori con bassa resistenza equivalente in serie (ESR) e bassa impedenza alle alte frequenze per supportare l'assorbimento dell'ondulazione e garantire una risposta ai transitori regolare e veloce. Inoltre, anche l'affidabilità operativa e l'affidabilità della supply chain sono fattori importanti.

Guardando i problemi e le opzioni, i condensatori elettrolitici in alluminio polimerico emergono come una buona soluzione in quanto sono caratterizzati da alte prestazioni elettriche, stabilità, basso rumore, affidabilità, fattore di forma compatto e un basso rischio legato alla supply chain, in quanto non utilizzano materiali provenienti da aree di conflitto. Combinano una bassa ESR (tipicamente misurata in milliohm) e basse impedenze alle alte frequenze (fino a 500 kHz), fornendo un'eccellente soppressione del rumore, assorbimento del ripple e prestazioni di disaccoppiamento sulle linee di alimentazione. Hanno anche una stabilità della capacità a frequenze e temperature di funzionamento elevate.

Questo articolo presenta una panoramica di come funzionano i condensatori elettrolitici in alluminio polimerico e come sono fatti. Mette a confronto le prestazioni di questi condensatori con le tecnologie alternative, prima di esaminare le applicazioni specifiche per i condensatori elettrolitici in alluminio polimerico. Si chiude con una rassegna di dispositivi rappresentativi di Murata e considerazioni applicative che i progettisti devono conoscere quando usano questi condensatori.

Come sono fatti i condensatori in alluminio polimerico?

I condensatori in alluminio polimerico hanno un catodo in una lamina di alluminio incisa, un dielettrico in pellicola ossidato in alluminio e un catodo polimerico conduttivo (Figura 1). A seconda del dispositivo specifico, sono disponibili con capacità da 6,8 a 470 µF e coprono un intervallo di tensione da 2 a 25 V c.c.

Figura 1: Modello di condensatore elettrolitico in alluminio polimerico che mostra la relazione tra l'anodo in lamina di alluminio incisa (sinistra), il dielettrico in pellicola ossidato in alluminio (centro) e il catodo polimerico conduttivo (destra). (Immagine per gentile concessione di Murata)

Nei dispositivi serie ECAS di Murata, la lamina di alluminio incisa è fissata direttamente all'elettrodo positivo, mentre il polimero conduttivo è coperto da una pasta di carbonio e collegato all'elettrodo negativo mediante una pasta d'argento conduttiva (Figura 2). L'intera struttura è racchiusa in una resina epossidica stampata per la resistenza meccanica e la protezione ambientale. Il pacchetto risultante a profilo ribassato e montaggio superficiale è senza alogeni con un livello di sensibilità all'umidità (MSL) di 3. La struttura multistrato (laminata) della lamina di alluminio e della pellicola ossidata differenzia la serie ECAS di Murata dai tipici condensatori elettrolitici in alluminio, come le strutture avvolte che possono utilizzare un polimero o un elettrolita come catodo.

Figura 2: Struttura del condensatore in alluminio polimerico serie ECAS che mostra il polimero conduttivo (rosa), la lamina di alluminio incisa (bianco), la pellicola ossidata di alluminio (Al) (blu), la pasta di carbonio (marrone) e la pasta d'argento (grigio scuro) che collegano il polimero conduttivo all'elettrodo negativo e l'involucro in resina epossidica. (Immagine per gentile concessione di Murata)

La combinazione della struttura laminata e la selezione dei materiali permette ai condensatori ECAS di avere la più bassa ESR disponibile tra i condensatori elettrolitici. I condensatori in alluminio polimerico serie ECAS forniscono capacità paragonabili ai condensatori al tantalio polimerico (Ta), ai condensatori al biossido di manganese (MnO₂) Ta e ai condensatori ceramici multistrato (MLCC), con ESR paragonabili ai MLCC e inferiori ai condensatori polimerici o MnO₂ Ta (Figura 3).

Figura 3: I condensatori in alluminio polimerico (serie ECAS) presentano valori di capacità più elevati e ESR comparabili rispetto ai MLCC, e ESR più basse con capacità comparabili ai condensatori in alluminio al tantalio e in latta. (Immagine per gentile concessione di Murata)

Per le applicazioni sensibili ai costi, i condensatori elettrolitici in alluminio e i condensatori al Ta (MnO₂) possono essere soluzioni relativamente economiche. I condensatori elettrolitici convenzionali in alluminio o tantalio usano un elettrolita o biossido di manganese (MnO₂) come catodo. L'uso di un catodo polimerico conduttivo nei condensatori ECAS si traduce in una ESR più bassa, caratteristiche termiche più stabili, maggiore sicurezza e durata di vita più lunga (Figura 4). Gli MLCC, anche se relativamente poco costosi, soffrono di caratteristiche di polarizzazione c.c. inesistenti nelle altre tecnologie di condensatori.

Figura 4: I condensatori in alluminio polimerico forniscono la combinazione base di bassa ESR, caratteristiche di polarizzazione c.c., caratteristiche di temperatura, durata e affidabilità. (Immagine per gentile concessione di Murata)

La caratteristica di polarizzazione c.c. si riferisce al cambiamento di capacità di un MLCC con una tensione c.c. applicata. All'aumentare della tensione c.c. applicata, la capacità effettiva dell'MLCC diminuisce. Quando la polarizzazione c.c. aumenta a pochi volt, gli MLCC possono perdere dal 40% all'80% del loro valore di capacità nominale, rendendoli inadatti a molte applicazioni di gestione della potenza.

Le caratteristiche prestazionali dei condensatori elettrolitici in alluminio polimerico li rendono adatti ad applicazioni di gestione della potenza, tra cui gli alimentatori per CPU, ASIC, FPGA e altri CI di grandi dimensioni, e per supportare le esigenze di potenza di picco nei sistemi di alimentazione USB (Figura 5).

Figura 5: Es. 1 (in alto): condensatori in alluminio polimerico in un circuito di gestione della potenza utilizzato in applicazioni finali per eliminare il ripple e livellare le sorgenti di tensione. Es. 2 (in basso): i condensatori in alluminio polimerico possono supportare le esigenze di potenza di picco nei sistemi di alimentazione USB. (Immagine per gentile concessione di Murata)

I condensatori in alluminio polimerico hanno una bassa ESR, una bassa impedenza e una capacità stabile, il che li rende adatti ad applicazioni come il livellamento e l'eliminazione del ripple, specialmente sulle linee elettriche soggette a grandi fluttuazioni del carico di corrente. In queste applicazioni, i condensatori in alluminio polimerico possono essere utilizzati in combinazione con gli MLCC.

I condensatori in alluminio polimerico forniscono funzioni di gestione della potenza e gli MLCC filtrano il rumore ad alta frequenza sui pin di alimentazione dei CI. I condensatori in alluminio polimerico possono anche supportare le esigenze di potenza di picco nei sistemi di alimentazione USB, mantenendo un ingombro compatto sulla scheda.

Condensatori in alluminio polimerico

I condensatori ECAS in alluminio polimerico sono disponibili in quattro dimensioni metriche del contenitore EIA 7343, a seconda della loro capacità: D3: (7,3 x 4,3 x 1,4 mm di altezza), D4 (7,3 x 4,3 x 1,9 mm di altezza), D6 (7,3 x 4,3 x 2,8 mm di altezza) e D9 (7,3 x 4,3 x 4,2 mm di altezza). Sono disponibili nei formati DigiReel, nastro pre-tagliato e nastrato in bobina (Figura 6). Altre specifiche includono:

• Intervallo di capacità elettrica: 6,8 ~ 470 μF
• Tolleranze di capacità: ±20% e +10%/-35%
• Intervallo di tensione nominale: 2 ~ 16 V c.c.
• ESR: 6 ~ 70 mΩ
• Temperatura di funzionamento: -40 ~ +105 °C

Figura 6: I condensatori in alluminio polimerico ECAS sono offerti nei formati DigiReel, nastro pre-tagliato e nastrato in bobina e sono disponibili nei formati D3, D4, D6 e D9. (Immagine per gentile concessione di Murata)

Murata ha recentemente ampliato la famiglia ECAS per includere dispositivi da 330 µF (±20%), 6,3 V come ECASD60J337M009KA0 con una ESR di 9 mΩ in un contenitore D4. Valori di capacità più alti possono contribuire a un migliore livellamento del ripple e a una riduzione del numero di condensatori richiesti, riducendo la dimensione complessiva della soluzione.

Ad esempio, quando viene utilizzato per filtrare l'uscita di un convertitore c.c./c.c. che commuta a 300 kHz, il condensatore in alluminio polimerico ECASD40D337M006KA0 da 330 µF (±20%), 2 V con una ESR di 6 mΩ produrrà una tensione di ripple di 13 mVp-p, rispetto a un condensatore in alluminio polimerico con una ESR di 15 mΩ, che produce una tensione di ripple di 36 mVp-p o un condensatore elettrolitico in alluminio con una ESR di 900 mΩ, che produce una tensione di ripple di 950 mVp-p.

Altri esempi di condensatori ECAS includono ECASD40D157M009K00, classificato a 150 µF (±20%) e 2 V c.c. con una ESR di 9 mΩ in un contenitore D4 e ECASD41C686M040KH0, classificato a 68 µF (±20%) e 16 V c.c. con una ESR di 40 mΩ, sempre in contenitore D4. Le caratteristiche dei condensatori in alluminio polimerico ECAS includono:

• Alta capacità elettrica combinata a una bassa ESR
• Capacità elettrica stabile con tensione c.c./temperatura/alte frequenze applicate
• Assorbimento del ripple, livellamento e risposta ai transitori eccellenti
• Riduzione della tensione nominale non richiesta
• Eliminazione del rumore acustico creato dai condensatori ceramici (effetto piezoelettrico)
• Barra di polarità (positiva) annotata sul prodotto
• Montaggio superficiale
• A norma RoHS
• Senza alogeni
• Contenitore MSL 3

Considerazioni progettuali

I condensatori elettrolitici in alluminio polimerico ECAS sono ottimizzati per l'uso in applicazioni di gestione della potenza; non sono consigliati per l'uso in circuiti a tempo costante, circuiti di accoppiamento o circuiti sensibili alle correnti di dispersione. I condensatori ECAS non possono essere collegati in serie. Altre considerazioni sul design:

• Polarità: i condensatori elettrolitici in alluminio polimerico sono polarizzati e devono essere collegati con la polarità corretta. Anche l'applicazione momentanea di una tensione inversa può danneggiare il film di ossido e compromettere le prestazioni del condensatore.
• Tensione di funzionamento: quando si utilizzano questi condensatori in circuiti c.a. o con corrente di ripple, la tensione picco-picco (Vp-p) o la tensione offset-picco (Vo-p), che include la polarizzazione c.c., deve essere mantenuta entro l'intervallo di tensione nominale. Nei circuiti di commutazione che possono sperimentare tensioni transitorie, la tensione nominale deve essere abbastanza alta da includere anche i picchi transitori.
• Corrente di inserzione: se si prevede una corrente di inserzione superiore a 20 A, è necessaria un'ulteriore limitazione del valore per mantenere il picco di inserzione a 20 A.
• Corrente di ripple: ogni modello della serie ECAS ha specifici valori di corrente di ripple che non devono essere superati. Le correnti di ripple eccessive generano calore che può danneggiare il condensatore.
• Temperatura di funzionamento:
  • quando si determina la temperatura nominale del condensatore, i progettisti devono prendere in considerazione la temperatura di funzionamento dell'applicazione, compresa la distribuzione della temperatura all'interno dell'apparecchiatura e qualsiasi fattore di temperatura stagionale.
  • La temperatura superficiale del condensatore deve rimanere entro l'intervallo di temperatura di funzionamento, compreso l'autoriscaldamento del condensatore risultante dai fattori specifici dell'applicazione come le correnti di ripple.

Conclusione

È difficile per i progettisti di sistemi di alimentazione raggiungere l'equilibrio ottimale tra efficienza, prestazioni, costi, stabilità, affidabilità e fattore di forma, in particolare quando si forniscono CI di grandi dimensioni come MCU, ASIC e FPGA, e quando si supportano le esigenze di potenza di picco nelle applicazioni USB. Uno dei componenti principali della catena del segnale di alimentazione è il condensatore, e molte caratteristiche di questi dispositivi aiutano a soddisfare i requisiti dei progettisti, se viene utilizzata la tecnologia giusta.

Come mostrato, i condensatori in alluminio polimerico aiutano i progettisti a trovare il giusto equilibrio. La loro struttura assicura basse impedenze a frequenze fino a 500 kHz, bassa ESR, buon livellamento del ripple, così come una buona soppressione del rumore e disaccoppiamento sulle linee elettriche. Inoltre, non soffrono delle limitazioni di polarizzazione c.c. e sono autorigeneranti, migliorando l'affidabilità operativa. Hanno anche una supply chain più affidabile perché non usano materiali provenienti da aree di conflitto. Tutto sommato, i condensatori in alluminio polimerico offrono ai progettisti prestazioni superiori per soddisfare i requisiti di una vasta gamma di sistemi di gestione dell'alimentazione.

Letture consigliate:

1. Nozioni di base: conoscere le caratteristiche dei tipi di condensatori per utilizzarli in modo appropriato e sicuro