A egyenfeszültséget leggyakrabban DC DC konverterekkel állítják elő, mivel

Átírás

1 Kiss Zoltán Okl. Villmosmérnök Endrich Buelemente Vertriebs GmbH Feszültséghullámosság csökkentése polimer kondenzátor hsználtávl A z integrált ármkörök táplálásához szükséges egyenfeszültséget leggykrbbn DC DC konverterekkel állítják elő, mivel ezek lineáris feszültség szbályzóknál jobb htásfokúk, kisebb fogysztásúk. Azonbn ngyfrekvenciás kpcsolás kimeneten feszültség hullámosságot (ripple) és zjt okoz, melyek szűréséről gondoskodni kell, táplált rendszerek működésének zvrtln biztosítás érdekében. Leg kézenfekvőbb megoldás szűrőkondenzátorok hsznált, melyek ideális jellemzőit részletesen tárgyljuk írásunkbn. A DC DC átlkítók kimeneti ripple feszültségének csökkentése lcsony soros ellenállású kondenzátorok hsználtát igényli, erre z egyik legjobb megoldás polimer kondenzátor, melynek többi lcsony ESR l rendelkező technológiávl szembeni előnyeit Pnsonic PosCp, SP Cp és OsCon soroztin keresztül muttjuk be. A DC DC átlkítók működése, Ripple feszültség keletkezése A bemeneti feszültségnél (Vin) kimeneten lcsonybb feszültséget (Vout) előállító DC/DC konvertereket step-down, vgy buck konvertereknek nevezi szkirodlom. A működési elvük z első ábrán láthtó ideális ármkör segítségével értelmezhető. Az ármköri képen láthtó kpcsoló reprezentálj zt komponenst, mi telep folymtos leés visszkpcsolásáról gondoskodik, és mi vlójábn egy MOSFET vgy egy IGBT. Az induktivitás z energi tárolásár szolgál, telep bekpcsolás utáni trnziens mágneses mező felépülése folytán feszültségesést indukál, mely terhelésre jutó feszültséget csökkenti. H kpcsoló tér felépülésének befejeződése előtt újr kinyit, kimenetre jutó feszültség folymtosn telep feszültsége ltt mrd. Ebben 40

2 pillntbn flybck diód kinyit, újr zárt ármkör jön létre, z induktivitás mágneses terében tárolt energi újr elektromos energiává lkul és ármot hjt át terhelésen. Addig, míg kikpcsolt állpot rövidebb, mint tekercs mágneses mezejének leépülési ideje, terhelésen z induktivitás folymtos ármot hjt át, kimeneti feszültség átlgértéke pedig bemeneti feszültség értéke ltt mrd. Azokt DC/DC konvertereket, melyeknek kimeneti feszültsége bemeneti feszültségük felett vn, step up, vgy boost konvertereknek nevezzük. Az ideális kpcsolásuk és működési lpelvük z lább ábrán tekinthető át: kezdi el táplálni terhelést és tölteni kimeneti kondenzátort. Amikor kpcsoló ismét kikpcsol, kondenzátor elkezd kisülni. H kpcsolgtás elég gyors hhoz, hogy kondenzátor ne süljön teljesen ki következő ciklus előtt, kkor terhelésre jutó feszültség értéke mindig bemeneti feszültség felett mrd. A buck és boost konverterekben kpcsolgtás rövid idő ltti ngy ármváltozásokt okoz, mi részben konverter kimeneti induktivitás és kpcitás, részben przit induktivitások jelenléte mitt folymtos feszültség fluktuációt okoz. A kimeneti egyenfeszültség ideális DC komponensére konverter működési frekvenciájávl vgy nnk felhrmonikusivl egyező frekvenciájú AC komponens rkódik - ezt jelenséget hívjuk feszültséghullámosságnk, z AC komponenst pedig Ripple feszültségnek. A ngyfrekvenciás AC komponens ngy di/dt folytán konverter przit induktivitásin keletkező zj. Amikor kpcsoló bekpcsolt állpotbn vn, z induktivitás elkezd töltődni, mágneses tere felépül, miközben terhelésre jutó feszültség null. A kpcsoló kikpcsoláskor tekercsben tárolt mágneses energi ismét elektromos energiává lkul és telep mellett másodlgos feszültségforrásként táplálj z ármkört. A diódán keresztül telep feszültségénél ngyobb feszültséggel 41

3 áltlánosn hsznált kondenzátorokbn ripple-ármnk megengedett legmgsbb értéke szintén fontos jellemző z lktrész kiválsztáskor, mert eredményeképpen hő keletkezik kondenzátor belsejében. A komponensre jellemző ESR htározz meg teljes I2R veszteséget, mi különösen fontos kpcsolóüzemű és teljesítményelektroniki lklmzásokbn. A viszonylg ngy ESR értékkel rendelkező kondenzátorok nehezebben táplálják külső ármkört, mert lssbbn töltődnek és sülnek ki. A folyékony elektrolittl rendelkező lumínium kondenzátorok ESR értéke z idővel egyre nő kiszárdás mitt. Áltlánosságbn elmondhtó, hogy több párhuzmosn kpcsolt kondenzátorrl csökkenthető z eredő ESR érték : A kimeneti ripple feszültség csökkentése Az nlóg ármkörök, mint például teljesítményerősítők, vgy szenzor IC-k, de GPS rendszerek RF szekciój is ngyon érzékeny tápellátás zvrár. A minimális elvárás ilyen esetekben kimeneti zjszűrő kondenzátor hsznált. A kondenzátor hivtott z AC komponens szűrési feldtát ellátni, mihez kis egyenértékű soros ellenállásr vn szükség. Minden fiziki eszköz, így kondenzátor is véges ellenállású nygokból készül, hib lenne csk ideális kpcitássl számolni ármköri modellezéskor. Így célszerűen bevezetésre került z ideális kpcitássl sorb kötött, kis értékű ekvivlens soros ellenállás (ESR), illetve szigetelő dielektrikum szivárgási jelenségét leíró párhuzmosn kpcsolt szivárgási, vgy szigetelési ellenállás (prlel lekge resistnce). Az ESR, mi ngyfrekvencián kondenzátor váltkozóármú impednciáj, hőmérséklet és frekvencifüggő érték, mely dielektrikum ellenállását, kivezetések, dielektrikum és fegyverzetek közötti kpcsolódás egyenármú ellenállását trtlmzz, ideálisn kis érték (áltlábn Ohm ngyságrend). Minél kisebb z ESR, nnál jobbn működik szűrőkondenzátor. Az A hgyományos folyékony elektrolitos lumínium elektrolitkondenzátorok között is vnnk viszonylg lcsony ESR értékkel rendelkező változtok, melyek előnye olcsóságuk és ngy névleges feszültségük. Ezek párhuzmos kpcsolásávl lcsony ESR értékek relizálhtók. Ilyenkor zonbn z lktrészek sok helyet fogllnk el, mi minitürizálási trendek ellen ht. A folyékony elektrolit esetleges párolgás, kondenzátor kiszárdás mitt z ESR érték z élettrtm során vgy mgs hőmérsékletnek vló kitettség esetén 42

4 megnőhet, emitt érdemes más megoldást keresni. A legolcsóbb lterntív többrétegű kerámikondenzátorok (MLCC) hsznált lehet, hiszen ngyon kis ESR értékűek, ngy megbízhtóságúk és kis méretűek. Ennek megoldásnk zonbn számos hátrány lehet: elektrolittl rendelkező (pl. tntál) kondenzátorok helyettesíthetik folyékony elektrolitos lumínium kondenzátorokt. A tntál kondenzátorok kompkt, kis feszültségű polrizált ármköri elemek, z lumínium elkóknál kisebb energisűrűséggel és szűkebb tolernciávl készülnek. A tntál kondenzátor ngy egységnyi méretre eső kpcitássl és ngyon lcsony szivárgási ármml rendelkezik, így hosszú ideig képes töltést tárolni, mindezek mellett kiválón viselkedik ngy hőmérsékleten is (125 C). Ugynkkor kpcitás mellett z lumínium elektrolit kondenzátoroknál lcsonybb ESR érték szignifikáns előny számos lklmzási területen. A tntál kondenzátort emellett stbil kpcitás, kis DC szivárgási árm, ngy frekvencián is kis impednci jellemzi, zonbn feszültségtüskékre és fordított polritásr ngyon érzékeny. Amennyiben keletkezett hib rövidzárlt, z ngyon vékony dielektrikum mitt könnyen ktsztrofális termikus megfutáshoz vezethet. A dielektrikum hibái mentén, letörés folytán keletkező szivárgási árm öngyógyító nodizációt indít, mi ideális esetben újrépíti szigetelő oxidréteget, zonbn, h felszbduló energi hibpontokon túlságosn ngy, kkor tntál táplálni, któdként funkcionáló mngán-dioxidból szármzó oxigén pedig ktlizálni fogj z égést, emitt Többféle kerámi lpú dielektrikumml rendelkező kondenzátor (MLCC, monolit, diszk) erősen veszít htásos kpcitásából névleges feszültségen. Ez negtív jelenség elsősorbn Clss2/3 ferroelektromos, non-lineáris dielektrikumokt jellemzi, mint például z X7R, X5R, X6S, X7S, X7T, Y5v stb, míg vezető polimer dielektrikumú lumínium és tntál elektrolit kondenzátorok esetén lig figyelhető meg. A kpcitásértékük erősen függ környezeti hőmérséklettől is A kerámikondenzátorok dielektrikum piezzoelektromos tuljdonsággl bír, emitt gyors feszültségváltozásokkor mechniki rezgés keletkezik méretváltozás okán, mi kusztikus zjhoz vezet. Amikor z lklmzásnk hosszú élettrtmú, ngy kpcitású, rendkívül kisméretű, megbízhtó és ngy hőmérsékleten is lklmzhtó kondenzátorr vn szüksége, szilárd 43

5 tntál kondenzátor egyes tűzveszélyes helyeken, pl. utóipri lklmzásokbn egyáltlán nem hsználhtó. További hátrányuk z lumínium elektrolit kondenzátorokkl összehsonlítv reltív mgsbb áruk, de előnyeik mitt kevésbé költségérzékeny lklmzásokbn, hol kis méretek elkerülhetetlenek (mobil készülékek, okostelefon, tblet, notebook) ideális komponensek. önmgábn drágább, mint hgyományos tntál kondenzátorok, zonbn méretcsökkentés lehetőségén keresztül, vgy kevesebb komponens felhsználásávl összességében mégis jelentős megtkrítás relizálhtó. A hgyományos tntál kondenzátorok któdjábn lévő MnO2 helyett hsznált polimer további előnyös tuljdonság, hogy még PosCp letörési feszültségén ( névleges feszültség 2-4 szerese) sem keletkezik láng, mi sok esetben hgyományos tntál kondenzátoroknál biztonságosbb megoldásokt tesz lehetővé. A PosCp / SPCp fő felhsználási területe DC-DC konverterek simító kondenzátor, z extrém kis ESR mitt ripple árm könnyebben hld át kondenzátoron, így kimeneten mrdék ripple feszültség kicsi. A Pnsonic rendelkezik egy másik szilárd elektrolitos kondenzátor technológiávl is, hol z lumínium fóli rétegek folyékony elektrolit helyett egy melegítéssel kívánt lkúr formált szilárd félvezető nygb vnnk ágyzv, mi megvédi kondenzátort z extrém trnziens hőhtásoktól is. Hgyományos lumínium elkókkl összevetve ez struktúr csk z lklmzott elektrolit nygábn különbözik, szerves félvezető nyg vezetőképessége százszoros folyékony elektroliténk, és még hgyományos tntál kondenzátorénk is tízszerese. Az újbbn szerves félvezetők helyett Pnsonic polimer kondenzátorok Amennyiben któdként hgyományos tntál kondenzátorokbn szokásos MnO2 kiváltásár polimereket hsználunk, még több előnyös tuljdonság jelenik meg. A Pnsonic POSCAP és SPCAP csládji ugynzon kpcitásérték mellett sokkl kisebb méretben kínálnk költséghtékony ármköri megoldásokt és további techniki előnyöket. A kisebb fiziki méretek mitt z ESR és ESL (ekvivlens soros ellenállás és induktivitás) értékek is kisebbek, így z lklmzott komponensek szám csökkenthető, vgy ugynkkor helyen mgsbb kpcitásérték érhető el kisebb névleges feszültségen. Az extrém kis ESR mitt PosCp, illetve z SPCp rendkívül jó ripple eltávolító képességgel rendelkezik. Emellett z ESR és z impednci széles üzemi hőmérséklettrtománybn ( C) stbil. A PosCp / SPCp technológi 44

6 lklmzott vezető polimerek még további vezetőképesség növekedést biztosítnk, z ESR értékek pedig ngyon lcsony szintre csökkentek, és még ngyon kis hőmérsékleteken sem változnk, mi különösen lklmssá teszi z ilyen kondenzátorokt z extrém kültéri hsználtr is. Ahogy zt PosCp esetében is láttuk, z OS-CON is lklms kész elektronikákbn fiziki méretek csökkentésére, gykrn egyetlen OS-CON segítségével három konvencionális, egyenként is ngyobb méretű lumínium elektrolit kondenzátor is kiválthtó. Az OS-CON technológi lklmzásávl 20 fok hőmérséklet csökkenés htásár vlószínű élettrtm tízszeresére nő. Az előnyök mellett meg kell említeni, hogy szilárd elektrolittl rendelkező elektrolit kondenzátoroknk speciális öngyógyító folymti mitt folyékony elektrolittl töltött csládoknál mgsbb szivárgási ármuk, emitt mximális névleges feszültségük zoknál sokkl lcsonybb. Az OS-CON felhsználási területei: lcsony ESR krkterisztikáj kiváló zjszűrő tuljdonsággl ruházz fel, ezért fogysztói (udio) termékekben lul áteresztő szűrőként is lklmzhtó, elhgyhtó számos más szűrő elem, mint például hgyományos elkók és induktivitások; A Polimer kondenzátorok előnyei más technológiákkl szemben A legfontosbb előny hgyományos folyékony elektrolittl rendelkező kondenzátorokkl szemben z lcsony ESR, és kpcitás vlmint z ESR állndóság z élettrtm előrehldtávl, illetve környezeti hőmérséklet emelkedésével, hogy zt z lábbi ábrák muttják: ipri elektroniki lklmzások simító kondenzátor (hosszú élettrtm mitt és zért, mert kiküszöböli DC bis problemtikáját, zz feszültség rákpcsolásávl nem változik kpcitás); tápegységek bckup és bypss kondenzátorként (ngy ármok esetén is gyors válsz ngy sebességű terhelésváltozásr); 45

7 Polimer technológiávl emitt jelentős helycsökkentés érhető el, kis ESR érték eléréséhez párhuzmosn kpcsolt több E-cp egyetlen Pnsonic kondenzátorrl kiválthtó : Hibrid kondenzátorok A pic több vezető gyártój speciális kondenzátorokt fejlesztett ki. Az lklmzott hibrid (EP-CAP) technológi folyékony elektrolitos Al kondenzátorok előnyeit (széles feszültség és kpcitásértékek, kis szivárgási árm, lcsony ár), vlmint szilárd polimer elektrolitos kondenzátorok előnyeit (lcsony ESR, mgs ripple árm, hosszú élettrtm) ötvözi. Az EP-CAP felépítése hsonlít hgyományos kondenzátorokr, zonbn folyékony elektrolit helyett speciális zselés nygot hsználnk, folyékony elektrolitb vezető polimer molekulákt kevernek. A folyékony elektrolit kisebb szivárgási ármml is biztosítj A kerámi kondenzátorok hiányosságit is képes ez technológi kiküszöbölni. Az lábbi két ábrán is láthtó, hogy polimer kondenzátor kpcitás hőmérsékletttől függetlenül vlmint névleges feszültség mellett is állndó mrd: sérült dielektrikum oxid réteg öngyógyulását, pusztán szilárd elektrolitos változtokhoz képest mgsbb névleges feszültséget eredményez. A hozzádott polimer jobb elektroniki és élettrtm tuljdonságokt biztosít: Az extrém lcsony ESR kész elektronikábn komoly helymegtkrítást és költségcsökkentést, vlmint ngy frekvencián kiváló zjszűrést tesz lehetővé. A ngy ripple árm átengedő képesség lklmssá teszi z EP-CAP-et kpcsolóüzemű feszültségszbályzók simító kondenzátorként. A működés széles hőmérséklettrtománybn és lcsony hőmérsékleten is stbil. Nincs szükség kpocsfeszültség csökkentésére, grntáltn kondenzátorr kpcsolhtó névleges feszültség. 46

8 : 47