מדוע וכיצד להשתמש בקבלי פולימר אלומיניום עבור אספקת כוח אפקטיבית לרכיבי CPU,‏ ASIC,‏ FPGA ו-USB‏

מתכננים של פתרונות אספקת כוח עבור מערכות ותת-מערכות אלקטרוניות, כולל מעגלים משולבים, מעגלים משולבים ייחודיים-ליישום (ASICs), יחידות עיבוד מרכזיות (CPUs) ומערכי שערים ניתנים-לתכנות בשטח (FPGAs), כמו גם אספקת-כוח באמצעות USB, מחפשים תמיד דרכים לשיפור נצילות תוך הבטחת אספקת כוח יציבה, נטולת רעש, בתחומי טמפרטורות רחבים, בגורם צורה קומפקטי. הם צריכים לשפר נצילות, יציבות ואמינות, להקטין עלות ולכווץ את גורם הצורה של הפתרון. בו-זמנית, הם חייבים לעמוד בדרישות ההולכות וגדלות של ביצועי הספק של היישום, כולל החלקת זרמי הכניסה והיציאה של מעגלי אספקת כוח, לתמוך בדרישות הספק שיא ודיכוי תנודות מתח.

כדי לעמוד באתגרים אלה, מתכננים זקוקים לקבלים בעלי התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה ואימפדנס נמוך בתדרים גבוהים כדי לתמוך בספיגת אדווה ולהבטיח הענות מהירה לטרנזיינט. בנוסף, חשובה אמינות תפקודית כמו גם אמינות שרשרת אספקה.

תוך התבוננות בסוגיות ובאפשרויות, קבלים אלקטרוליטיים פולימר אלומיניום מתגלים כפתרון‏ טוב, מאחר והם מתאפיינים בביצועים חשמליים טובים, יציבות, רעש נמוך, אמינות, גורם צורה קומפקטי וסיכון שרשרת-אספקה נמוך כי אינם כוללים חומרים מאזורי עימות. הם משלבים ESR נמוך (נמדד בדרך כלל במילי-אוהם (mΩ‏)) ואימפדנסים נמוכים בתדרים גבוהים (עד 500 קילו-הרץ (kHz‏‏)), מספקים דיכוי רעש, ספיגת אדווה וביצועי הפרדה (decoupling) מצוינים על קווי אספקת כוח. הם מתאפיינים גם ביציבות קיבולית בתדרי עבודה גבוהים ובטמפרטורות גבוהות.

מאמר זה מציג סקירה כללית על אופן העבודה של קבלים אלקטרוליטיים פולימר אלומיניום וכיצד הם בנוים. הוא משווה את הביצועים של קבלים אלה עם טכנולוגיות קבל חלופיות, לפני הסתכלות על יישומים ספציפיים עבור קבלים אלקטרוליטיים פולימר אלומיניום. המאמר מסתיים עם בחינת התקנים מיצגים מבית Murata‏ ושיקולי יישום שמתכננים חייבים להיות ערים להם כשמשתמשים בקבלים אלה.

כיצד בנוים קבלי פולימר אלומיניום?

קבלי פולימר אלומיניום הם בעלי אנודה עשויה מרדיד אלומיניום מאוכל (etched), שכבה דיאלקטרית ‏ מאלומיניום מחומצן וקתודה‏ מוליכה עשויה מפולימר (איור 1‏). תלוי בהתקן הספציפי, הם זמינים עם קיבוליות מ-6.8 עד 470 מיקרו-פאראד (µF) ומכסים תחום מתחים מ-2 עד 25 וולט זרם ישר (Vdc).

איור 1‏: דגם קבל אלקטרוליטי פולימר אלומיניום מציג את היחס בין האנודה העשויה מרדיד אלומיניום מאוכל (etched) (שמאל), השכבה הדיאלקטרית מאלומיניום מחומצן (מרכז) וקתודת הפולימר המוליכה (ימין). (מקור תמונה: Murata‏)

בהתקני סדרת ECAS של Murata, רדיד האלומיניום המאוכל (etched) מוצמד ישירות לאלקטרודה החיובית, בעוד הפולימר המוליך מכוסה במשחת פחמן ומחובר לאלקטרודה השלילית תוך שימוש במשחת כסף מוליכה (איור 2‏). המבנה כולו עטוף בשרף אפוקסי יצוק עבור חוזק מכני והגנה סביבתית. מארז ההרכבה המשטחית בעל הפרופיל הנמוך המתקבל הוא נטול-הלוגן ובעל רמת רגישות לרטיבות (MSL) בדרוג 3. המבנה הרב-שכבתי (דפוף) של רדיד האלומיניום והשכבה המחומצנת מבדלים את סדרת ECAS של Murata מקבלים אלקטרוליטיים אלומיניום אופייניים, כגון מבנים מלופפים מסוג פחית שיכולים להשתמש בפולימר או באלקטרוליט כקתודה.

איור 2‏: מבנה התקן קבל פולימר אלומיניום מסדרת ECAS מציג את הפולימר המוליך (ורוד), רדיד האלומיניום המאוכל (לבן), שכבת האלומיניום (Al) המחומצן (כחול), משחת הפחמן (חום) ומשחת הכסף (אפור כהה) המחברת את הפולימר המוליך לאלקטרודה השלילית ולמעטפת שרף האפוקסי. (מקור תמונה: Murata‏)

השילוב של המבנה הדפוף ומבחר החומרים מאפשר לקבלי ECAS‏ להיות בעלי ה-ESR הנמוך ביותר הקיים בקבלים אלקטרוליטיים. קבלי פולימר אלומיניום מסדרת ECAS‏ מספקים ערכי קיבוליות ברי השוואה לקבלי פולימר טנטלום (Ta), קבלי Ta דו-תחמוצת המנגן (MnO₂) וקבלים קרמיים רב-שכבתיים (MLCCs), עם ערכי ESR ברי השוואה לשל MLCCs ונמוכים משל קבלי פולימר Ta או MnO₂ Ta (איור 3‏).

איור 3‏: קבלי פולימר אלומיניום (סדרת ECAS) מתאפיינים בערכי קיבוליות גבוהים יותר וערכי ESR ברי-השוואה ל-ESR של MLCCs, וערכי ESR נמוכים יותר עם ערכי קיבוליות ברי-השוואה לקיבוליות של קבלי טנטלום ואלומיניום מסוג פחית. (מקור תמונה: Murata‏)

עבור יישומים רגישים לעלות, קבלים אלקטרוליטיים אלומיניום וקבלי Ta‏ (MnO₂) עשויים לספק פתרונות לא-יקרים יחסית. קבלים אלקטרוליטיים אלומיניום קונבנציונליים או טנטלום משתמשים באלקטרוליט או בדו-תחמוצת המנגן (MnO₂) כקתודה. השימוש ‏בקתודת פולימר מוליך בקבלי ECAS‏ מביא לתוצאה של ESR‏ נמוך יותר, מאפיינים תרמיים יציבים יותר, בטיחות משופרת וחיי שרות ארוכים יותר (איור 4‏). קבלי MLCC‏, בעוד לא-יקרים יחסית, סובלים ממאפייני ממתח DC שאינם מצויים בטכנולוגיות קבל אחרות.

איור 4‏: קבלי פולימר אלומיניום מספקים את הצרוף הבסיסי של ESR נמוך, מאפייני ממתח DC, מאפייני טמפרטורה, חיי שירות ואמינות. (מקור תמונה: Murata‏)

מאפיין ממתח ה-DC מתייחס לשינוי בקיבוליות של MLCC‏ עם מתח DC מיושם. עם עליה במתח DC מיושם, קיבוליות אפקטיבית של MLCC קטנה. כשממתח ה-DC גדל למספר וולטים, קבלי MLCC יכולים להפסיד מ-40% עד 80% מערך הקיבוליות הנומינלית שלהם, תכונה ההופכת אותם ללא מתאימים עבור הרבה יישומים של ניהול הספק.

מאפייני הביצועים של קבלים אלקטרוליטיים פולימר אלומיניום עושים אותם מתאימים היטב עבור יישומי ניהול הספק, כולל ספקי-כוח עבור רכיבי CPU, ‏ASIC, ‏FPGA‏ ומעגלים משולבים גדולים אחרים, ועבור תמיכה בצורכי הספק שיא במערכות אספקת-כוח USB (איור 5‏).

איור 5‏: בדוגמה 1 (למעלה): קבלי פולימר אלומיניום במעגל ניהול הספק משמשים ביישומי מטרה להסיר אדווה, להחליק ולייצב מקורות מתח. דוגמה 2 (למטה): קבלי פולימר אלומיניום יכולים לתמוך בצרכי הספק שיא במערכות אספקת-כוח USB. (מקור תמונה: Murata‏)

קבלי פולימר אלומיניום הם בעלי ESR נמוך, אימפדנס נמוך וקיבוליות יציבה, תכונות ההופכות אותם למתאימים עבור יישומים כגון החלקה והסרת אדווה, במיוחד על קווי כוח הנתונים לתנודות חזקות בעומס הזרם. ביישומים אלה, קבלי פולימר אלומיניום ניתנים לשימוש בשילוב עם קבלי MLCC‏.

קבלי פולימר אלומיניום מספקים פונקציות ניהול הספק וקבלי MLCC‏ מסננים רעש תדר-גבוה על פיני ההספק של מעגלים משולבים. קבלי פולימר אלומיניום יכולים גם לתמוך בצרכי הספק שיא במערכות אספקת-כוח USB, תוך שמירה על חתימת שטח קטנה של לוח מעגל מודפס.

קבלי פולימר אלומיניום

קבלי פולימר אלומיניום ECAS‏ זמינים בארבע מידות מארז מטריות EIA 7343, בהתאם לדרוג שלהם: D3:‏ (7.3 מילימטרים (מ"מ) x‏ 4.3‏ מ"מ x‏ 1.4‏ מ"מ גובה); D4 ‏(7.3 מ"מ x‏ 4.3‏ מ"מ x‏ 1.9 מ"מ גובה); D6‏ (7.3 מ"מ x‏ 4.3‏ מ"מ x‏ 2.8 מ"מ גובה); ו-D9‏ (7.3 מ"מ x‏ 4.3‏ מ"מ x‏ 4.2 מ"מ גובה). הם זמינים בפורמטים DigiReel, סרט חתוך, וסרט וסליל (איור 6‏). מפרטים אחרים כוללים:

• תחום קיבוליות: ‎6.8 μF עד ‎470 μF
• טולרנסים של קיבוליות: ±20% ו-‎10%/-35%+
• מתחים נקובים: ‎2 Vdc עד 16‎ Vdc‏
• ESR: ‏6‎ mΩ עד 70‎ mΩ
• טמפרטורת עבודה: 40°C- עד 105°C+

איור 6: קבלי פולימר אלומיניום ECAS מוצעים בפורמטים DigiReel, סרט חתוך וסרט וסליל, ובאים בגדלי מארז D3,‏ D4,‏ D6 ו-D9 . (מקור תמונה: Murata‏)

לאחרונה Murata‏ הרחיבה את משפחת ECAS‏ כך שכוללת התקני µF‏ 330‏ (‎±20%‏), 6.3‏ וולט, כמו ה-ECASD60J337M009KA0 עם‏ ESR‏ של 9‎ mΩ‏ בגודל מארז‏ D4. ערכי קיבוליות גבוהים יותר יכולים לתרום להחלקת אדווה משופרת וקיטון במספר הקבלים הדרושים, דבר שמקטין את גודל הפתרון הכולל.

לדוגמה, כשמשתמשים בקבל פולימר אלומיניום ‏ECASD40D337M006KA0 ‏330‎ µF‏ (±20%),‏ 2 וולט‏, עם ESR‏ של ‎6 mΩ כדי לסנן יציאה של ממיר DC-DC המתמתג ב-300‎ kHz, נקבל מתח אדווה של 13 מילי-וולט שיא-לשיא (mVp-p‏), בהשוואה לקבל פולימר אלומיניום עם ESR של ‎15 mΩ‏, שמייצר מתח‏ אדווה של 36‎ mVp-p‏, או קבל אלקטרוליטי אלומיניום עם‏ ESR‏ של ‎900 mΩ‏, שמייצר מתח‏ אדווה של 950‎ mVp-p‏.

דוגמאות אחרות של קבלי ECAS‏ כוללות את ה-ECASD40D157M009K00, מדורג µF‏ 150‏ (‎±20%‏) ו-2‎ Vdc‏ עם‏ ESR‏ של 9‎ mΩ‏ במארז‏ D4, וה-ECASD41C686M040KH0, מדורג ‎68 µF‏ (‎±20%‏) ו-‎16 Vdc‏ עם‏ ESR‏ של 40‎ mΩ‏, גם כן במארז D4. מאפיינים של קבלי פולימר אלומיניום ECAS כוללים:

• קיבוליות גבוהה משולבת עם ESR נמוך
• קיבוליות יציבה עם מתח DC מיושם/טמפרטורה/תדרים גבוהים
• ספיגת אדווה, החלקה, הענות לטרנזיינט מצוינות
• לא נדרשת הורדה של דרוג מתח (derating)
• מניעת הרעש האקוסטי הנוצר על ידי קבלים קרמיים (אפקט פייזו)
• פס קוטביות (חיובית) מצוין על המוצר
• מבנה הרכבה משטחית
• תואמי RoHS
• נטולי-הלוגן
• מארז MSL 3

שיקולי תכנון

קבלים אלקטרוליטיים פולימר אלומיניום ECAS‏ ממוטבים לשימוש ביישומי ניהול הספק; הם אינם מומלצים לשימוש במעגלי קבוע-זמן, מעגלי צימוד, או מעגלים הרגישים לזרמי זליגה. קבלי ECAS‏ אינם מתוכננים להיות מחוברים בטור. שיקולי תכנון אחרים כוללים:

• קוטביות: קבלים אלקטרוליטיים פולימר אלומיניום הם מקוטבים וחייבים להיות מחוברים בקוטביות הנכונה. אפילו חיבור‏ רגעי למתח הפוך יכול לגרום נזק לשכבת התחמוצת ולפגוע בביצועי הקבל.
• מתח עבודה: כשמשתמשים בקבלים אלה במעגלי AC או זרם אדווה, מתח השיא-לשיא (Vp-p‏), או מתח ההיסט-לשיא (Vo-P‏), שכוללים את ממתח ה-DC, חייבים להישמר בתחום המתח הנקוב. במעגלים ממותגים שעלולים להתנסות במתחי טרנזיינט, המתח הנקוב חייב להיות גבוה מספיק כך שיכלול גם את שיאי הטרנזיינט.
• זרם התנעה: אם צפוי זרם התנעה העולה על ‏20‏ אמפר (A‏), דרושה הגבלת זרם התנעה נוספת כך ששיא זרם ההתנעה יישמר ב-‎20 A‏.
• זרם אדווה: לכל דגם בסדרת ECAS יש דרוג זרם אדווה ספציפי שאסור לעבור אותו. זרמי אדווה חריגים יפיקו חום, שעלול לגרום נזק לקבל.
• טמפרטורת עבודה:
  • כשקובעים את דרוג הטמפרטורה של הקבל, מתכננים חייבים להתחשב בטמפרטורת העבודה של היישום, כולל פיזור הטמפרטורה בתוך הציוד וכן כל גורם טמפרטורה עונתי.
  • טמפרטורת המשטח החיצוני של הקבל חייבת להישאר בתחום טמפרטורת העבודה, כולל כל חימום עצמי של הקבל כתוצאה מגורמי היישום הספציפי כמו זרמי אדווה.

מסקנה

קשה למתכנני מערכות אספקת-כוח‏ להשיג את האיזון האופטימלי של נצילות, ביצועים, עלות, יציבות, אמינות וגורם צורה, במיוחד כשמספקים כוח למעגלים משולבים גדולים כמו יחידות מיקרו-בקר (MCUs), מעגלים משולבים ייחודיים-ליישום (ASICs) ומערכי שערים ניתנים-לתכנות בשטח (FPGAs), וכשתומכים בצורכי הספק שיא ביישומי USB‏. אחד הרכיבים העיקריים של שרשרת אותות אספקת הכוח הוא הקבל, וישנם מאפיינים רבים של התקנים אלה העוזרים לעמוד בדרישות מתכננים, אם משתמשים בטכנולוגיה הנכונה.

כמתואר, קבלי פולימר אלומיניום עוזרים למתכננים למצוא את האיזון הנכון. המבנה שלהם מבטיח אימפדנסים נמוכים בתדרים של עד kHz‏ 500‏, ESR נמוך, החלקת אדווה טובה, כמו גם דיכוי רעש טוב והפרדה (Decoupling) על קווי כוח. כמו כן, הם אינם סובלים ממגבלות ממתח DC, והם מתאפיינים בריפוי-עצמי, ובכך משפרים אמינות עבודה. הם גם בעלי שרשרת אספקה אמינה יותר מאחר ואינם משתמשים בחומרים מאזורי עימות. בסך הכל, קבלי פולימר אלומיניום מציעים למתכננים אופציית ביצועים גבוהים יותר כדי לענות לדרישות של מגוון רחב של מערכות ניהול הספק.

קריאה מומלצת:

1. Fundamentals: Understand the Characteristics of Capacitor Types to Use Them Appropriately and Safely