Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
Feszültséghullámosság csökkentése polimer kondenzátor használatával
2015 december 7.
Összefoglalás :
Az integrált áramkörök táplálásához szükséges egyenfeszültséget leggyakrabban DC-DC konverterekkel állítják elő, mivel ezek a lineáris feszültségszabályzóknál jobb hatásfokúak, kisebb fogyasztásúak. Azonban a nagyfrekvenciás kapcsolás a kimeneten feszültség hullámosságot (ripple) és zajt okoz, melynek szűréséről gondoskodni kell, a táplált rendszerek működésének zavartalan biztosítása érdekében. Legkézenfekvőbb megoldás a szűrőkondenzátorok használata, melynek ideéális jellemzőit részletesen tárgyaljuk írásunkban.
DC-DC átalakítók működése, a Ripple feszültség keletkezése
A bemeneti feszültségnél (Vin) a kimeneten alacsonyabb feszültséget (Vout) előállító DC/DC konvertereket „step-down”, vagy „buck” konvertereknek nevezi a szakirodalom. A működési elvük az első ábrán látható ideális áramkör segítségével értelmezhető.
Az áramköri képen látható kapcsoló reprezentálja azt a komponenst, ami a telep folyamatos le- és visszakapcsolásáról gondoskodik, és ami valójában egy MOSFET vagy egy IGBT. Az induktivitás az energia tárolására szolgál, a telep bekapcsolása utáni tranziens a mágneses mező felépülése folytán feszültségesést indukál, mely a terhelésre jutó feszültséget csökkenti. Ha a kapcsoló a tér felépülésének befejeződése előtt újra kinyit, a kimenetre jutó feszültség folyamatosan a telep feszültsége alatt marad. Ebben a pillanatban a flyback dióda kinyit, újra zárt áramkör jön létre, és az induktivitás mágneses terében tárolt energia újra elektromos energiává alakul és áramot hajt át a terhelésen. Addig, amíg a kikapcsolt állapot rövidebb, mint a tekercs mágneses mezejének leépülési ideje, a terhelésen az induktivitás folyamatos áramot hajt át, a kimeneti feszültség átlagértéke pedig a bemeneti feszültség értéke alatt marad.
Azokat a DC/DC konvertereket, melyeknek a kimeneti feszültsége a bemeneti feszültségük felett van, step–up, vagy boost konvertereknek nevezzük. Az ideális kapcsolásuk és a működési alapelvük az alább ábrán tekinthető át:
Amikor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, az induktivitás elkezd töltődni, mágneses tere felépül, miközben a terhelésre jutó feszültség nulla. A kapcsoló kikapcsolásakor a tekercsben tárolt mágneses energia ismét elektromos energiává alakul és a telep mellett másodlagos feszültségforrásként táplálja az áramkört, a diódán keresztül a telep feszültségénél nagyobb feszültséggel kezdik el táplálni a terhelést és tölteni a kimeneti kondenzátort. Amikor a kapcsoló ismét kikapcsol, a kondenzátor elkezd kisülni. Ha a kapcsolgatás elég gyors ahhoz, hogy a kondenzátor ne süljön teljesen ki, a következő ciklus előtt, akkor a terhelésre jutó feszültség értéke mindig a bemeneti feszültség felett marad.
A buck és boost konverterekben a kapcsolgatás rövid idő alatti nagy áramváltozásokat okoz, ami részben a konverter kimeneti induktivitása és kapacitása, részben a parazita induktivitások jelenléte miatt folyamatos feszültség fluktuációt okoz. A kimeneti egyenfeszültség ideális DC komponensére a konverter működési frekvenicájával vagy annak felharmónikusaival egyező frekvenciájú AC komponens rakódik, ezt a jelenséget hívjuk feszültséghullámosságnak, az AC komponenst pedig Ripple feszültségnek. A nagyfrekvenciás AC komponens a nagy dI/dt folytán a konverter parazita induktivitásain keletkező zaj.
A kimeneti ripple feszültség csökkentése
Az analóg áramkörök, mint például a teljesítményerősítők, vagy szenzor IC-k, de a GPS rendszerek RF szekciója is nagyon érzékeny a tápellátás zavarára. A minimális elvárás ilyen esetekben a kimeneti zajszűrő kondenzátor használata. A kondenzátor hivatott az AC komponens szűrési feladatát ellátni, amihez kis egyenértékű soros ellenállásra van szükség. Minden fizikai eszköz, így a kondenzátor is véges ellenállású anyagokból készül, hiba lenne csak ideális kapacitással számolni áramköri modellezéskor. Így célszerűen bevezetésre került az ideális kapacitással sorba kötött, kis értékű ekvivalens soros ellenállás (ESR - equivalent series resistance), illetve a szigetelő dielektrikum szivárgási jelenségét leíró párhuzamosan kapcsolt szivárgási, vagy szigetelési ellenállás (paralel leakage resistance).
Az ESR, ami nagyfrekvencián a kondenzátor váltakozóáramú impedanciája, hőmérséklet és frekvenciafüggő érték, mely a dielektrikum ellenállását, a kivezetések, a dielektrikum és a fegyverzetek közötti kapcsolódás egyenáramú ellenállását tartalmazza, ideálisan kis érték (általában 0.01 Ω- 0. 1 Ω nagyságrend).
Minál kisebb az ESR, annál jobban működik a szűrőkondenzátor. Az általánosan használt kondenzátorokban a ripple-áramnak a megengedett legmagasabb értéke szintén fontos jellemző az alkatrész kiválasztásakor, mert eredményeképpen hő keletkezik a kondenzátor belsejében. A komponensre jellemző ESR határozza meg a teljes I2R veszteséget, ami különösen fontos kapcsolóüzemű és teljesítményelektronikai alkalmazásokban. A viszonylag nagy ESR értékkel rendelkező kondenzátorok nehezebben táplálják a külső áramkört, mert lassabban töltődnek és sülnek ki. A folyékony elektrolittal rendelkező alumínium kondenzátorok ESR értéke az idővel egyre nő a kiszáradás miatt. Természetesen léteznek nagyon kis ESR értékű speciális elektrolit kondenzátorok is, azonban szűrési feladatokra általában speciális elektrolit vagy kerámoa kondenzátorokat kell választani.
Általánosságban elmondható, hogy több párhuzamosan kapcsolt kondenzátorral csökkenthető az eredő ESR érték:
A hagyományos folyékony elektrolittos alumínium elektrolitkondezátorok között is vannak viszonylag alacsony ESR értékkel rendelkező változatok, melyek előnye olcsóságuk és nagy névleges feszültségük. Ezek párhuzamos kapcsolásával alacsony ESR értékek realizálhatók. Ilyenkor azonban az alkatrészek sok helyet foglalnak el, ami a miniatürizálási trendek ellen hat. A folyékony elektrolit esetleges párolgása, a kondenzátor kiszáradása miatt az ESR érték az élettartam során vagy magas hőmérsékletnek való kitettség esetén megnőhet, emiatt érdemes más megoldást keresni.
A legolcsóbb alternatíva a többrétegű kerámiakondenzátorok (MLCC) használata lehet, hiszen nagyon kis ESR értékűek, nagy megbízhatósággal és kis mérettel rendelkeznek. Ennek a megoldásnak azonban számos hátránya lehet:
- Többféle kerámia alapú dielektrikummal rendelkező kondenzátor (MLCC, monolit, diszk) erősen veszít a hatásos kapacitásából a névleges feszültségen. Ez a negatív jelenség elsősorban a Class2 /3 ferroelektromos, non-lineáris dielektrikumokat jellemzi, mint például az X7R, X5R, X6S, X7S, X7T, Y5v stb, míg a vezető polimer dielektrikumú alumínium és tantál elektrolit kondenzátorok esetén alig figyelhető meg.
- A kapacitásértékük erősen függ a környezeti hőmérséklettől is
- A kerámikondenzátorok dielektrikuma piezzoelektromos tulajdonsággal bír, emiatt gyors feszültségváltozásokkor mechanikai rezgés keletkezik a méretváltozás okán, ami akusztikus zajhoz vezet.
Amikor az alkalmazásnak hosszú élettartamú, nagy kapacitású, rendkívül kisméretű, megbízható és nagy hőmérsékleten is alkalmazható kondenzátorra van szükség, a szilárd elektrolittal rendelkező (pl. tantál) kondenzátorok helyettesíthetik a folyékony elektrolitos alumínium kondenzátorokat. A Tantál kondenzátorok kompakt kis feszültségű polarizált áramköri elemek, az alumínium elkóknál kisebb energiasűrűséggel és szűkebb toleranciával készülnek. A tantál kondenzátor nagy egységnyi méretre eső kapacitással és nagyon alacsony szivárgási árammal rendelkezik, így hosszú ideig képes töltést tárolni, mindezek mellett kiválóan viselkedik nagy hőmérsékleten is (125 °C). Ugyanakkora kapacitás mellett az alumínium elektrolit kondenzátoroknál alacsonyabb ESR érték szignifikáns előny számos alkalmazási területen. A tantál kondenzátort emellett stabil kapacitás, kis DC szivárgási áram, nagy frekvencián is kis impedancia jellemzi, azonban a feszültségtüskékre és a fordított polaritásra nagyon érzékeny. Amennyiben a keletkezett hiba rövidzárlat, az a nagyon vékony dielektrikum miatt könnyen katasztrofális termikus megfutáshoz vezethet. A dielektrikum hibái mentén, a letörés folytán keletkező szivárgási áram öngyógyító anodizációt indít, ami ideális esetben újraépíti a szigetelő oxidréteget, azonban, ha a felszabaduló energia a hibapontokon túl nagy, akkor a tantál táplálni, a katódként funkcionáló mangán-dioxidból származó oxigén pedig katalizálni fogja az égést, emiatt a tantál kondenzátor egyes tűzveszélyes helyeken, pl. autóipari alkalmazásokban egyáltalán nem használható. További hátrányuk az Al elektrolit kondenzátorokkal összehasonlítva a relatív magasabb áruk, de előnyeik miatt a kevésbé költségérzékeny alkalmazásokban, ahol a kis méretek elkerülhetetlenek (mobil készülékek, okostelefon, tablet, notebook) ideális komponensek.
Panasonic polimer kondenzátorok
Amennyiben a katódként a hagyományos tantál kondenzátorokban szokásos MnO2 kiváltására polimereket használunk, még több előnyös tulajdonság jelenik meg. A Panasonic POSCAP családjai ugyanazon kapacitásérték mellett sokkal kisebb méretben kínálnak költséghatékonyabb áramköri megoldásokat és további technikai előnyöket. A kisebb fizikai méretek miatt az ESR és ESL (ekvivalens soros ellenállás és induktivitás) értékek is kisebbek, így az alkalmazott komponensek száma csökkenthető, vagy ugyanakkora helyen magasabb kapacitásérték érhető el kisebb névleges feszültségen. Az extrém kis ESR miatt a PosCap, illetve az SP-Cap rendkívül jó ripple eltávolító képességgel rendelkezik. Emellett az ESR és az impedancia széles üzemi hőmérséklettartományban (–55-105℃) stabil.
A PosCap technológia önmagában drágább, mint a hagyományos tantál kondenzátorok, azonban a méretcsökkentés lehetőségén keresztül, vagy kevesebb komponens felhasználásával összességében mégis jelentős megtakarítás realizálható. A hagyományos tantál kondenzátorok katódjában lévő MnO2 helyett használt polimer további előnyös tulajdonsága, hogy még a PosCap letörési feszültségén (a névleges feszültség 2-4 szerese) sem keletkezik láng, ami sok esetben a hagyományos tantál kondenzátoroknál biztonságosabb megoldásokat tesz lehetővé. A PosCap fő felhasználási területe a DC-DC konverterek simító kondenzátora, az extrém kis ESR miatt a ripple áram könnyebben halad át a kondenzátoron, így a kimeneten a maradék ripple feszültség kicsi. A Panasonic rendelkezik egy másik szilárd elektrolitos kondenzátor technológiával is, ahol az alumínium fólia rétegek folyékony elektrolit helyett egy melegítéssel kívánt alakúra formált szilárd félvezető anyagba vannak ágyazva, ami megvédi a kondenzátort az extrém tranziens hőhatásoktól is. Hagyományos alumínium elkókkal összevetve ez a struktúra csak az alkalmazott elektrolit anyagában különbözik, a szerves félvezető anyag vezetőképessége százszorosa a folyékony elektroliténak, és még a hagyományos tantál kondenzátorénak is tízszerese. Az újabban a szerves félvezetők helyett alkalmazott vezető polimerek még további vezetőképesség növekedést biztosítanak, az ESR értékek pedig nagyon alacsony szintre csökkentek, és még nagyon kis hőmérsékleteken sem változnak, ami különösen alkalmassá teszi az ilyen kondenzátorokat az extrém kültéri használatra is. Ahogy azt a PosCap esetében is láttuk, az OS-CON is alkalmas a kész elektronikákban a fizikai méretek csökkentésére, gyakran egyetlen OS-CON segítségével három konvencionális, egyenként is nagyobb méretű alumínium elektrolit kondenzátor is kiváltható. Az OS-CON technológia alkalmazásával 20 fok hőmérséklet csökkenés hatására a valószínű élettartam tízszeresére nő.
Az előnyök mellett meg kell említeni, hogy a szilárd elektrolittal rendelkező elektrolit kondenzátoroknak a speciális öngyógyító folyamatai miatt a folyékony elektrolittal töltött családoknál magasabb a szivárgási áramuk, emiatt a maximális névleges feszültségük azoknál sokkal alacsonyabb.
Az OS-CON felhasználási területe:
- ipari elektronikai alkalmazások simító kondenzátora (hosszú élettartama miatt és azért, mert kiküszöböli a DC bias problematikáját, azaz a feszültség rákapcsolásával nem változik a kapacitása);
- tápegységek backup és bypass kondenzátorként (nagy áramok esetén is gyors válasz nagy sebességű terhelésváltozásra);
- alacsony ESR karakterisztikája kiváló zajszűrő tulajdonsággal ruházza fel, ezért fogyasztói (audio) termékekben alul áteresztő szűrőként is alkalmazható, elhagyható számos más szűrő elem, mint például hagyományos elkók és induktivitások;
A Polimer kondenzátorok előnyei más technológiákkal szemben
A legfontosabb előny a hagyományos folyékony elektrolittal rendelkező kondenzátorokkal szemben az alacsony ESR, és a kapacitás, valamint az ESR állandósága az élettartam előrehaladtával, illetve a környezeti hőmérséklet emelkedésével, ahogy azt az alábbi ábra mutatja:
Polimer technológiával emiatt jelentős helycsökkentés érhető el, a kis ESR érték eléréséhez párhuzamoan kapcsolt több E-cap egyetlen Panasonic kondenzátorral kiváltható:
A kerámia kondenzátorok hiányosságait is képes ez a technológia kiküszöbölni. Az alábbi ábrán látható, hogy a polimer kondenzátor kapacitása a hőmérsékletttől függetlenül, valamint a névleges feszültség mellett is állandó marad:
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2015/8 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2015. (24. évf.) 8. sz. 20-23. old. |
| 2 | Elektronet online | DC-DC átalakítók kimeneti feszültség-hullámosságának csökkentése |
| 3 | English version | Ripple cancellation with low ESR polymer capacitors |
| 4 | TechStory M2M | DC-DC átalakító kimeneti feszültséghullámosságának csökkentése |