การเลือกเทคโนโลยีตัวเก็บประจุที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน

การเลือกตัวเก็บประจุที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานสามารถสร้างความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในด้านประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ เช่น แหล่งจ่ายไฟสำหรับการป้องกัน การบินและอวกาศ เทคโนโลยีทางการแพทย์ โครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานที่สำคัญ หรือเครื่องชาร์จ EV ที่รวดเร็ว

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบสำคัญในวงจรอิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด เนื่องจากตัวเก็บประจุจะเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า กรองสัญญาณที่ไม่ต้องการ และทำหน้าที่อื่นๆ อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเท่ากันทุกตัว และตัวเก็บประจุชนิดต่างๆ ก็มีลักษณะ ข้อดี และข้อจำกัดที่แตกต่างกันไป

การเลือกประเภทตัวเก็บประจุที่เหมาะสมถือเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบผลิตภัณฑ์ ตัวเลือกทั่วไปสามตัวเลือก ได้แก่ ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC), ตัวเก็บประจุฟิล์ม หรืออิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียม ซึ่งมีทั้งข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันมากมาย การเลือกประเภทที่เหมาะสมช่วยให้มั่นใจได้ว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะมีการจัดเก็บพลังงานเพียงพอ พอดีกับพื้นที่ว่าง และทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือตามวัตถุประสงค์การใช้งาน

กรณีของ MLCC

MLCC ประกอบด้วยอิเล็กโทรดเซรามิกและอิเล็กโทรดโลหะที่ซ้อนกันหลายชั้นสลับกันและรวมเข้าด้วยกันจนกลายเป็นแพ็คเกจขนาดกะทัดรัด MLCC ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด โดยให้ค่าความจุไฟฟ้าสูงในขนาดที่เล็ก ค่าความต้านทานอนุกรมภายในของตัวเก็บประจุ (ESR) ต่ำ กระแสรั่วไหลต่ำ การตอบสนองความถี่สูง และความเสถียรของอุณหภูมิที่ดี

MLCC เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความหนาแน่นพลังงานสูง ประสิทธิภาพสูง สัญญาณรบกวนต่ำ และความน่าเชื่อถือสูง อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างของตัวเก็บประจุประเภทนี้ที่สามารถสร้างความแตกต่างในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ประสบความสำเร็จ:

• MLCC ความน่าเชื่อถือสูง: ให้ความน่าเชื่อถือสูง อัตราความล้มเหลวต่ำ อายุการใช้งานยาวนาน และประสิทธิภาพสูงภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย คุณลักษณะเหล่านี้มีความสำคัญในการตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดของอุตสาหกรรม เช่น การบินและอวกาศและการป้องกันประเทศ รวมถึงข้อกำหนดภายใต้ MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 และ MIL-PRF-39014 ตลอดจนการใช้งานทางการแพทย์
• MLCC ไฟฟ้าแรงสูง: ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 500 V และสูงถึง 12 kV ได้รับการออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่ต้องการการแยกในไฟฟ้าแรงสูง เช่น อุปกรณ์จ่ายไฟ เครื่องกำเนิดพัลส์ และอุปกรณ์เอ็กซ์เรย์ มีความจุสูง ESR ต่ำ ปัจจัยการกระจายต่ำ และแรงดันเบรกดาวน์สูง
• MLCC อุณหภูมิสูง: ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า +125°C สูงถึง +250°C ได้รับการออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่ต้องการความเสถียรที่อุณหภูมิสูง เช่น การขุดเจาะหลุมเจาะ ยานยนต์ และอุตสาหกรรม โดยให้ความจุสูง ESR ต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำ และต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว

ข้อดีของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูง กระแสสูง แรงดันไฟฟ้าสูง และความถี่สูง เช่น การแปลงพลังงาน การกรอง สแนปปิ้ง และการเชื่อมต่อ โดยตัวเก็บประจุเหล่านี้ประกอบด้วยแผ่นฟิล์มวัสดุอิเล็กทริกบาง เช่น โพลีเอสเตอร์ โพลีโพรพีลีน โพลีคาร์บอเนต หรือโพลีฟีนิลีนซัลไฟด์ ซึ่งประกบอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดโลหะ 2 อัน ไม่ว่าจะพันเป็นรูปทรงกระบอกหรือซ้อนกันเป็นรูปทรงแบน

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมักจะมีขนาดใหญ่กว่าและมีราคาแพงกว่า MLCC แต่ให้ค่าความจุสูง อัตราแรงดันไฟฟ้าสูง ESR ต่ำ ปัจจัยการกระจายต่ำ การตอบสนองความถี่สูง และอายุการใช้งานยาวนาน ข้อดีของเทคโนโลยีนี้ ได้แก่ อัตราแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น การเปลี่ยนแปลงความจุไฟฟ้าเชิงเส้นตามแรงดันและอุณหภูมิ ไม่มีสัญญาณรบกวนเพียโซอิเล็กทริก ความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง และอายุการใช้งานยาวนาน

มีตัวเก็บประจุแบบฟิล์มหลายประเภทที่เหมาะสมกับการใช้งาน:

• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีเอสเตอร์เมทัลไลซ์ใช้โลหะบางๆ เช่น อลูมิเนียมหรือสังกะสี วางอยู่บนฟิล์มโพลีเอสเตอร์เป็นขั้วไฟฟ้า มีความจุสูง ESR ต่ำ ต้นทุนต่ำ และคุณสมบัติการรักษาตัวเองที่ดี ตอบสนองความต้องการของการใช้งานทั่วไป เช่น บายพาส คัปปลิ้ง และดีคัปปลิ้ง
• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีโพรพีลีนแบบ Metallized ใช้ฟิล์มโพลีโพรพีลีนเป็นอิเล็กโทรดที่มีชั้นโลหะบางๆ เช่น อลูมิเนียมหรือสังกะสี โดดเด่นด้วยความจุสูง, ESR ต่ำ, ปัจจัยการกระจายต่ำ, การตอบสนองความถี่สูง และความเสถียรสูง เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น การแก้ไขตัวประกอบกำลัง การกรอง และการสแนปปิ้ง
• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีคาร์บอเนตใช้ฟิล์มโพลีคาร์บอเนตเป็นวัสดุอิเล็กทริก มีความจุสูง อัตราแรงดันไฟฟ้าสูง ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำ และความน่าเชื่อถือสูง เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความเสถียรที่อุณหภูมิสูง เช่น วงจรไทม์มิ่ง การตรวจจับ และความแม่นยำ
• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีฟีนลีนซัลไฟด์ ใช้ฟิล์มโพลีฟีนลีนซัลไฟด์เป็นวัสดุอิเล็กทริก มีความจุสูง อัตราอุณหภูมิสูง ESR ต่ำ ปัจจัยการกระจายต่ำ และการตอบสนองความถี่สูง การใช้งานที่เหมาะสมได้แก่งานที่ต้องการสมรรถนะที่อุณหภูมิสูง เช่น ยานยนต์ อุตสาหกรรม และโทรคมนาคม
• ตัวเก็บประจุฟิล์มกระดาษเมทัลไลซ์อาศัยฟิล์มกระดาษเคลือบโลหะเป็นวัสดุอิเล็กทริก มีความจุสูง อัตราแรงดันไฟฟ้าสูง ESR ต่ำ ปัจจัยการกระจายต่ำ และคุณสมบัติการรักษาตัวเองสูง เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการแยกแรงดันไฟฟ้าสูง เช่น แหล่งจ่ายไฟ เครื่องกำเนิดพัลส์ และอุปกรณ์เอ็กซ์เรย์

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติค

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความจุสูง แรงดันไฟฟ้าสูง และความถี่ต่ำ เช่น การปรับให้เรียบ การกรอง และการจัดเก็บพลังงาน

ด้วยความสามารถในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าจำนวนมากตามขนาดของมัน ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคจึงใช้สำหรับปรับแหล่งจ่ายไฟให้เรียบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อาจมีอายุการใช้งานสั้นกว่าตัวเลือก MLCC และฟิล์ม และเนื่องจากมีขั้วบวกและขั้วลบ จึงอาจเสียหายได้หากติดตั้งแบบย้อนกลับ นอกจากนี้ยังอาจรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยอย่างต่อเนื่องและไม่เสถียรที่ความถี่สูงเมื่อเทียบกับตัวเลือกอื่น

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคมีจำหน่ายในอิเล็กโทรไลต์หลายประเภท เช่น ของเหลว ของแข็ง หรือไฮบริด ซึ่งมีคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพ ความเสถียร และความน่าเชื่อถือที่แตกต่างกัน:

• ตัวเก็บประจุไฟฟ้าอลูมิเนียมเหลวใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลวเป็นแคโทด มีความจุสูง อัตราแรงดันไฟฟ้าสูง และต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม ยังมี ESR สูง กระแสรั่วไหลสูง ปัจจัยการกระจายตัวสูง และอายุการใช้งานที่จำกัด เหมาะสำหรับการใช้งานทั่วไป เช่น การทำให้เรียบ การกรอง และการเก็บพลังงาน
• ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมชนิดแข็งมีวัสดุอิเล็กโทรไลต์ชนิดแข็ง เช่น แมงกานีสไดออกไซด์หรือโพลีเมอร์นำไฟฟ้า สำหรับแคโทด มี ESR ต่ำ กระแสรั่วไหลต่ำ ปัจจัยการกระจายต่ำ และอายุการใช้งานยาวนาน อย่างไรก็ตาม ยังมีความจุต่ำกว่า อัตราแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า และมีราคาสูงกว่าตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์เหลว เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ไดรเวอร์ LED และเครื่องขยายเสียง
• ตัวเก็บประจุไฟฟ้าอะลูมิเนียมแบบไฮบริดใช้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวและของแข็งเป็นแคโทด โดยมีความสมดุลระหว่างความจุไฟฟ้า อัตราแรงดันไฟฟ้า ESR กระแสรั่วไหล ปัจจัยการกระจาย และอายุการใช้งาน เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูง ความน่าเชื่อถือสูง และประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง เช่น ยานยนต์ อุตสาหกรรม และโทรคมนาคม

การเข้าซื้อกิจการของซัพพลายเออร์จะขยายพอร์ตโฟลิโอตัวเก็บประจุ

Knowles และ Cornell Dubilier Electronics (CDE) คือผู้ผลิตตัวเก็บประจุชั้นนำสองรายที่นำเสนอเทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์ตัวเก็บประจุที่หลากหลาย โดย Knowles เข้าซื้อกิจการ CDE ในปี 2566 โดยผสมผสานจุดแข็งเสริมของทั้งสองบริษัท ซึ่งรวมถึงตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคของ CDE และฟิล์มและ MLCC ของ Knowles Precision Devices

Knowles นำเสนอกลุ่มผลิตภัณฑ์ MLCC ที่ครอบคลุมในแพ็คเกจยึดพื้นผิวมาตรฐาน และแพ็คเกจริบบอนหรือลีดเรเดียล ตั้งแต่ต่ำกว่าระดับพิโคฟารัดไปจนถึงหลายร้อยไมโครฟารัด โดยมีพิกัดตั้งแต่ 6.3 V ถึง 12 kV ซึ่ง Knowles MLCC มีจำหน่ายในวัสดุอิเล็กทริกต่างๆ โดยมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก และอัตราการเสื่อมสภาพที่แตกต่างกัน

วิธีการผลิต FlexiCap™ ของ Knowles ใช้วัสดุปลายอีพอกซีโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นที่เป็นกรรมสิทธิ์ ซึ่งใช้ใต้ผิวเคลือบนิกเกิลตามปกติ ซึ่งสามารถรองรับการดัดงอของบอร์ดได้สูงกว่าตัวเก็บประจุแบบทั่วไป กลุ่มผลิตภัณฑ์ StackiCap™ ช่วยลดพื้นที่ PCB ลงอย่างมากด้วยค่าความจุที่เท่ากัน ในกรณีที่พื้นที่บอร์ดเหลือน้อย ตัวอย่างเช่น ชิปมาตรฐาน 150 นาโนฟารัด (nF) ในขนาดเคส 8060 จะมีขนาดเคส 3640 ที่เล็กกว่ามาก

Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (รูปที่ 1) คือ MLCC แบบยึดติดบนพื้นผิว FlexiCap ที่สามารถจัดเก็บประจุไฟฟ้าได้ 0.56 ไมโครฟารัด (µF) โดยมีพิกัดความเผื่อ ±10% และได้รับการออกแบบมาให้รองรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 500 V เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มผลิตภัณฑ์ MLCC ที่ได้รับการจัดอันดับ DC ซึ่งมีตั้งแต่ 0.2 พิโคฟารัด (pF) ถึง 22 µF และในกรณีที่มีขนาดตั้งแต่ 0402 ถึง 8060

รูปที่ 1: แสดง Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (แหล่งที่มาภาพ: Knowles)

Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (รูปที่ 2) คือ StackiCap MLCC ที่สามารถจัดเก็บประจุไฟฟ้าได้ 1 µF โดยมีพิกัดความเผื่อ ±10% และมีพิกัดอยู่ที่ 630 V

รูปที่ 2: ภาพแพคเกจ StackiCap สำหรับ Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2 และ MLCC ที่คล้ายกัน (แหล่งที่มาภาพ: Knowles)

Knowles CDE นำเสนอขั้วต่อสกรูแบบมาตรฐานและแบบกำหนดเอง ตัวเก็บประจุแบบสแน็ปอิน และแบบติดตั้งบนบอร์ดให้เลือกมากมาย เพื่อใช้ในการใช้งานที่สำคัญ ตั้งแต่เครื่องกระตุ้นหัวใจและการถ่ายภาพทางการแพทย์ ไปจนถึงระบบเรดาร์และการสำรองพลังงานของ UPS สำหรับระบบข้อมูลขนาดใหญ่

477XMPL002MG19R ของ CDE เป็นส่วนหนึ่งของซีรีส์ตัวเก็บประจุชิปโพลีเมอร์ XMPL สำหรับการใช้งานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าและ/หรือความจุที่สูงขึ้น ด้วย ESR ที่ต่ำและพิกัดกระแสกระเพื่อมที่แข็งแกร่ง จึงมีประสิทธิภาพเหนือกว่าอิเล็กโทรไลติกแบบยึดบนพื้นผิวในขนาดที่ใหญ่กว่าและให้อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น ความเสถียรที่มากขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และลด ESR ที่ความถี่ที่สูงขึ้น ค่าความจุมาตรฐานของซีรีส์นี้อยู่ในช่วงตั้งแต่ 6.8 µF ถึง 470 µF โดยมีแรงดันไฟฟ้าใช้งานสูงสุดที่ 35 V_DC ในแพคเกจขึ้นรูปขนาด 7.3 มม. x 4.3 มม. x 1.9 มม.

ในบรรดาตัวเก็บประจุแบบฟิล์มที่หลากหลาย ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มอะคริลิก Type FCA ของ CDE เช่น FCA0805C104M-J2 ให้ค่าความจุสูงในขนาดเคสยึดพื้นผิวมาตรฐาน ซีรีส์นี้มีช่วงความจุ 0.10 µF ถึง 1.0 µF เนื่องจากเป็นตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งในวงจรเสียง จึงสามารถให้เสียงที่ปราศจากความผิดเพี้ยนและการกรองความถี่สูง

สรุป

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญ และการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมถือเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบผลิตภัณฑ์ เป็นสิ่งที่ดีที่ Knowles และ Cornell Dubilier Electronics ช่วยให้สามารถเข้าถึงประเภททั่วไปที่มีให้เลือกมากมายและหลากหลายรูปแบบ รวมถึงประเภทพิเศษที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน