สาเหตุและวิธีการในการใช้ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์เพื่อให้พลังงานแก่ CPU, ASIC, FPGA และ USB อย่างมีประสิทธิภาพ

นักออกแบบโซลูชันการจ่ายพลังงานสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์และระบบย่อย ซึ่งรวมถึงไอซี, ไอซีเฉพาะแอปพลิเคชัน (ASIC), หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) และอุปกรณ์ลอจิกแบบโปรแกรมได้ (FPGA) ตลอดจน USB สำหรับจ่ายพลังงาน ซึ่งก็ต่างมองหาวิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพในขณะที่ให้พลังงานที่เสถียร ปราศจากสัญญาณรบกวนในช่วงอุณหภูมิกว้างและอยู่ในฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดกะทัดรัด พวกเขาจำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพ เสถียรภาพ และความน่าเชื่อถือ พร้อมทั้งลดต้นทุนและขนาดฟอร์มแฟกเตอร์ของโซลูชัน ในขณะเดียวกันอุปกรณ์เหล่านี้จะต้องเป็นไปตามความต้องการด้านประสิทธิภาพกำลังที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ของการใช้งานต่าง ๆ รวมถึงการทำให้กระแสอินพุตและเอาต์พุตของวงจรจ่ายไฟราบเรียบขึ้น รองรับความต้องการพลังงานสูงสุด และลดการผันผวนของแรงดันไฟฟ้า

เพื่อตอบสนองความท้าทายเหล่านี้ นักออกแบบจึงต้องการตัวเก็บประจุที่มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) และค่าอิมพีแดนซ์ต่ำที่ความถี่สูง เพื่อรองรับการดูดซับคลื่นและให้การตอบสนองชั่วคราวที่ราบรื่นและรวดเร็ว นอกจากนี้ความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงานและความน่าเชื่อถือของซัพพลายเชนก็มีความสำคัญ

เมื่อพิจารณาปัญหาและทางเลือกต่าง ๆ ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ เป็นโซลูชันที่ดี เนื่องจากมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าสูง มีความเสถียร สัญญาณรบกวนต่ำ มีความน่าเชื่อถือ ฟอร์มแฟกเตอร์ขนาดกะทัดรัด และมีความเสี่ยงด้านซัพพลายเชนต่ำ เนื่องจากไม่ได้ใช้วัสดุที่มีความขัดแย้ง และมี ESR (โดยทั่วไปมีหน่วยวัดเป็นมิลลิโอห์ม (mΩ)) และอิมพีแดนซ์ต่ำที่ความถี่สูง (สูงถึง 500 กิโลเฮิร์ตซ์ (kHz)) พร้อมทั้งมีการลดสัญญาณรบกวนที่ยอดเยี่ยม ดูดซับคลื่น และประสิทธิภาพการแยกสัญญาณบนสายไฟ นอกจากนั้นยังมีเสถียรภาพด้านความจุที่ความถี่และอุณหภูมิในการทำงานสูง

บทความนี้นำเสนอภาพรวมการทำงานของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อลูมิเนียมพอลิเมอร์รวมทั้งการผลิต โดยมีการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุเหล่านี้ที่มีเทคโนโลยีตัวเก็บประจุทางเลือก ก่อนที่จะพิจารณาการใช้งานเฉพาะสำหรับตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์อลูมิเนียมพอลิเมอร์ สุดท้ายคือการรีวิวอุปกรณ์จาก Murata และข้อควรพิจารณาในการใช้งานที่นักออกแบบต้องระวังเมื่อใช้ตัวเก็บประจุเหล่านี้

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ผลิตขึ้นมาอย่างไร

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์มีแคโทดแผ่นฟอยล์อลูมิเนียม ไดอิเล็กตริกฟิล์มอลูมิเนียมออกซิไดซ์ และแคโทดพอลิเมอร์นำไฟฟ้า (รูปที่ 1) มีตั้งแต่ขนาด 6.8 ถึง 470 ไมโครฟารัด (µF) ขึ้นอยู่กับแต่ละอุปกรณ์ และครอบคลุมช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ถึง 25 โวลต์ (Vdc)

รูปที่ 1: แบบจำลองตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแอโนดแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ (ซ้าย) อิเล็กทริกฟิล์มอลูมิเนียมออกซิไดซ์ (กลาง) และแคโทดพอลิเมอร์นำไฟฟ้า (ขวา) (แหล่งที่มาของภาพ: Murata)

อุปกรณ์ในซีรีส์ ECAS ของ Murata แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์จะติดเข้ากับอิเล็กโทรดขั้วบวกโดยตรง ในขณะที่พอลิเมอร์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและเคลือบด้วยคาร์บอนเพสต์และเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดขั้วลบด้วยซิลเวอร์เพสต์นำไฟฟ้า (รูปที่ 2) โครงสร้างทั้งหมดหุ้มด้วยเรซินอีพอกซี เพื่อความแข็งแรงและการปกป้องสิ่งแวดล้อม แพ็คเกจติดตั้งบนพื้นผิวมีโปรไฟล์ต่ำที่ได้นั้นปราศจากฮาโลเจนและมีความไวต่อความชื้น (MSL) ระดับ 3 โครงสร้าง (เคลือบ) หลายชั้นของอลูมิเนียมฟอยล์และฟิล์มออกซิไดซ์ทำให้ชุด ECAS ของ Murata แตกต่างจากตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ทั่วไป เช่น โครงสร้างขดลวดพันทรงกระบอกที่สามารถใช้พอลิเมอร์หรืออิเล็กโทรไลต์เป็นแคโทดได้

รูปที่ 2: โครงสร้างอุปกรณ์ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ซีรีส์ ECAS แสดงให้เห็นถึงพอลิเมอร์นำไฟฟ้า (สีชมพู) แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ (สีขาว) ฟิล์มอลูมิเนียม (Al) ออกซิไดซ์ (สีน้ำเงิน) คาร์บอนเพสต์ (สีน้ำตาล) และซิลเวอร์เพสต์ (สีเทาเข้ม) ที่เชื่อมต่อพอลิเมอร์นำไฟฟ้ากับอิเล็กโทรดลบและอีพอกซีเรซิน (แหล่งที่มาของภาพ: Murata)

การผสมผสานระหว่างโครงสร้างแบบลามิเนตและการเลือกใช้วัสดุทำให้ตัวเก็บประจุซีรีส์ ECAS เป็นตัวเก็บประจุอิเล็กทรอไลต์ที่มี ESR ต่ำที่สุดใน ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ซีรีส์ ECAS ให้ความจุที่เทียบได้กับตัวเก็บประจุแทนทาลัมพอลิเมอร์ (Ta), ตัวเก็บประจุแทนทาลัมแมงกานีสไดออกไซด์ (MnO₂) และตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC) และมีค่า ESR ที่เทียบเท่ากับ MLCC แต่ต่ำกว่าตัวเก็บประจุตัวเก็บประจุพอลิเมอร์แทนทาลัมหรือ MnO₂ Ta (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ (ซีรีส์ ECAS) มีค่าความจุสูงกว่าและค่า ESR เทียบเท่ากันเมื่อเปรียบเทียบกับ MLCC และมีค่า ESR ที่ต่ำกว่าเมื่อความจุเท่ากับตัวเก็บประจุแทนทาลัมและอลูมิเนียมทรงกระบอก (แหล่งที่มาของภาพ: Murata)

สำหรับการใช้งานคำนึงถึงต้นทุน ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์และตัวเก็บประจุ Ta (MnO₂) อาจเป็นโซลูชันที่มีต้นทุนค่อนข้างต่ำ ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์อลูมิเนียมหรือแทนทาลัมทั่วไปใช้อิเล็กโทรไลต์หรือแมงกานีสไดออกไซด์ (MnO₂) เป็นแคโทด การใช้แคโทดพอลิเมอร์นำไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ ECAS ส่งผลให้ค่า ESR ต่ำลง สมบัติทางความร้อนที่เสถียรมากขึ้น ความปลอดภัยที่ดีขึ้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น (รูปที่ 4) แม้ว่า MLCC จะมีราคาไม่แพง แต่ก็จะมีผลกระทบจากคุณลักษณะการเบี่ยงเบนแรงดันกระแสตรงที่ไม่พบในเทคโนโลยีตัวเก็บประจุอื่น ๆ

รูปที่ 4: ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์มีคุณสมบัติพื้นฐานของค่า ESR ต่ำ คุณลักษณะการเบี่ยงเบนแรงดันกระแสตรง สมบัติทางความร้อน อายุการใช้งาน และความน่าเชื่อถือ (แหล่งที่มาของภาพ: Murata)

คุณลักษณะการเบี่ยงเบนแรงดันกระแสตรงหมายถึงการเปลี่ยนแปลงความจุของ MLCC ด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้ เมื่อแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเพิ่มขึ้น ความจุที่มีประสิทธิภาพของ MLCC จะลดลง เมื่อคุณลักษณะการเบี่ยงเบนแรงดันกระแสตรงเพิ่มขึ้นเป็นสองสามโวลต์ MLCC อาจสูญเสียค่าความจุเล็กน้อยจาก 40% ถึง 80% ซึ่งทำให้ไม่เหมาะการจัดการพลังงานจำนวนมาก

คุณสมบัติด้านประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านการจัดการพลังงาน รวมถึงแหล่งจ่ายไฟสำหรับ CPU, ASIC, FPGA และไอซีขนาดใหญ่อื่น ๆ และเพื่อรองรับความต้องการพลังงานสูงสุดในระบบจ่ายพลังงานของ USB (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ในตัวอย่างที่ 1 (บนสุด): ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ในวงจรการจัดการพลังงานที่ใช้ในงานเป้าหมายเพื่อลดการกระเพื่อมและปรับให้แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าที่ราบเรียบและมีเสถียรภาพ ตัวอย่างที่ 2 (ด้านล่าง): ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์สามารถรองรับความต้องการพลังงานสูงสุดในระบบการจ่ายพลังงานด้วย USB (แหล่งที่มาของภาพ: Murata)

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์มี ESR ต่ำ อิมพีแดนซ์ต่ำ และความจุที่เสถียร เหมาะสำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น การทำให้สัญญาณราบเรียบและขจัดการกระเพื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสายไฟที่มีความผันผวนของโหลดกระแสไฟฟ้าสูง ในการใช้งานเหล่านี้ สามารถใช้ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ร่วมกับ MLCC ได้

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์มีฟังก์ชันการจัดการพลังงาน และตัวเก็บประจุ MLCC กรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงบนขาพลังงานขาเข้าของไอซี ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ยังสามารถรองรับความต้องการพลังงานสูงสุดในระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้า USB ในขณะที่ยังคงใช้บอร์ดพีซีขนาดเล็ก

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ ECAS อยู่ในขนาด EIA 7343 เมตริกสี่ขนาด ซึ่งขึ้นอยู่กับพิกัดแรงดันไฟฟ้า: D3: (7.3 มม. x 4.3 มม. x สูง 1.4 มม.); D4 (7.3 มม. x 4.3 มม. x สูง 1.9 มม.); D6 (7.3 มม. x 4.3 มม. x สูง 2.8 มม.); และ D9 (7.3 มม. x 4.3 มม. x สูง 4.2 มม.) มีจำหน่ายในรูปแบบ DigiReel, คัทเทป และเทปแอนด์รีล (ภาพที่ 6) ข้อมูลจำเพาะอื่น ๆ ได้แก่:

• ช่วงความจุ: 6.8 µF ถึง 470 µF
• ความคลาดเคลื่อนของความจุ: ±20% และ +10%/-35%
• พิกัดแรงดันไฟฟ้า: 2 Vdc ถึง 16 Vdc
• ESR: 6 mΩ ถึง 70 mΩ
• อุณหภูมิทำงาน: -40°C ถึง +105°C

รูปที่ 6: ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ ECAS มีจำหน่ายในรูปแบบ DigiReel เทปคัตเทป และเทปแอนด์รีลในขนาด D3, D4, D6 และ D9 (แหล่งที่มาของภาพ: Murata)

เมื่อเร็ว ๆ นี้ Murata เพิ่มซีรีส์ ECAS เพื่อรวมอุปกรณ์ขนาด 330 µF (±20%), 6.3 โวลต์ เช่น ECASD60J337M009KA0 ที่มีค่า ESR เท่ากับ 9 mΩ ในขนาด D4 ค่าความจุที่สูงขึ้นสามารถช่วยให้การกระเพื่อมราบเรียบขึ้น และลดจำนวนตัวเก็บประจุที่ต้องการ ส่งผลให้ขนาดโดยรวมลดลง

ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ในการกรองเอาท์พุตของสวิตช์ตัวแปลง DC-DC ที่ 300 kHz ECASD40D337M006KA0 ขนาด 330 µF (±20%) ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ 2 โวลต์ที่มีค่า ESR เท่ากับ 6 mΩ จะสร้างแรงดันกระเพื่อมจากยอดถึงยอดที่ 13 มิลลิโวลต์ (mVp-p) เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ที่มีค่า ESR ที่ 15 mΩ ซึ่งสร้างแรงดันกระเพื่อมจากยอดถึงยอด 36 mV หรือตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ที่มีค่า ESR เท่ากับ 900 mΩ ซึ่งสร้างแรงดันกระเพื่อมจากยอดถึงยอด 950 mV

ตัวอย่างอื่น ๆ ของตัวเก็บประจุ ECAS ได้แก่ ECASD40D157M009K00 พิกัดที่ 150 µF (±20%) และ 2 Vdc โดยมีค่า ESR เท่ากับ 9 mΩ ในเคสขนาด D4 และ ECASD41C686M040KH0 พิกัด 68 µF (±20%) และ 16 Vdc ที่มีค่า ESR เท่ากับ 40 mΩ ในขนาด D4 เช่นกัน คุณสมบัติของตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ ECAS ประกอบด้วย:

• ความจุสูงและค่า ESR ต่ำ
• ความจุที่เสถียรด้วยแรงดัน DC/อุณหภูมิ/ความถี่สูง
• ดูดซับคลื่นได้ดีเยี่ยม ราบเรียบ ตอบสนองชั่วขณะ
• ไม่จำเป็นต้องลดระดับแรงดันไฟฟ้า
• ขจัดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากตัวเก็บประจุเซรามิก (เพียโซเอฟเฟกต์)
• แถบขั้ว (บวก) ระบุไว้ในผลิตภัณฑ์
• โครงสร้างยึดพื้นผิว
• เป็นไปตามข้อกำหนด RoHS
• ปราศจากฮาโลเจน
• บรรจุภัณฑ์ MSL 3

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ

ตัวเก็บประจุพอลิเมอร์อลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ ECAS เหมาะสำหรับใช้ในการจัดการพลังงาน แต่ไม่แนะนำให้ใช้ในวงจรเวลาคงที่ วงจรคัปปลิ้ง หรือวงจรที่ไวต่อกระแสไฟรั่ว ตัวเก็บประจุ ECAS ไม่ได้ออกแบบมาให้เชื่อมต่อแบบอนุกรม ข้อควรพิจารณาในการออกแบบอื่น ๆ ได้แก่:

• ขั้ว: ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์เป็นแบบโพลาไรซ์และต้องต่อในขั้วที่ถูกต้อง การใช้แรงดันย้อนกลับชั่วขณะก็อาจสร้างความเสียหายให้กับฟิล์มออกไซด์และทำให้ประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุลดลง
• แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน: เมื่อใช้ตัวเก็บประจุเหล่านี้ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับหรือกระแสสลับ จะต้องรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าจากยอดถึงยอด (Vp-p) หรือแรงดันออฟเซ็ตถึงยอด (Vo-p) ซึ่งรวมถึงการเบี่ยงเบนแรงดันกระแสตรงไว้ภายในช่วงพิกัดแรงดันไฟฟ้า ในวงจรสวิตชิ่งที่อาจพบกับแรงดันสูงชั่วขณะ พิกัดแรงดันไฟฟ้าจะต้องสูงพอที่จะครอบคลุมแรงดันสูงชั่วขณะ
• กระแสกระชาก: หากคาดว่ากระแสกระชากเกิน 20 แอมแปร์ (A) จำเป็นต้องมีการจำกัดกระแสกระชากเพิ่มเติมเพื่อให้กระแสกระชากมีค่าสูงสุดที่ 20 A
• กระแสกระเพื่อม : ซีรีส์ ECAS แต่ละรุ่นมีการจำกัดค่ากระแสกระเพื่อมเฉพาะที่มีควรเกิน กระแสกระเพื่อมที่มากเกินไปจะก่อให้เกิดความร้อนที่อาจสร้างความเสียหายให้กับตัวเก็บประจุ
• อุณหภูมิในการทำงาน:
  • เมื่อกำหนดระดับอุณหภูมิของตัวเก็บประจุ นักออกแบบจำเป็นต้องคำนึงถึงอุณหภูมิในการทำงานของการใช้งานแต่ละประเภท ซึ่งรวมถึงการกระจายอุณหภูมิภายในอุปกรณ์และปัจจัยอุณหภูมิตามสภาพอากาศด้วย
  • อุณหภูมิพื้นผิวของตัวเก็บประจุต้องอยู่ภายในช่วงอุณหภูมิการทำงาน รวมถึงการเกิดความร้อนในตัวของตัวเก็บประจุซึ่งเป็นผลมาจากปัจจัยการใช้งานเฉพาะ เช่น กระแสกระเพื่อม

บทสรุป

เป็นเรื่องยากสำหรับนักออกแบบระบบการจ่ายพลังงานที่จะทำให้เกิดความสมดุลที่เหมาะสมของสมรรถภาพ ประสิทธิภาพ ต้นทุน ความเสถียร ความน่าเชื่อถือ และฟอร์มแฟกเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจ่ายให้กับไอซีขนาดใหญ่ เช่น MCU, ASIC และ FPGA และเมื่อรองรับความต้องการพลังงานสูงสุดในการใช้งาน USB องค์ประกอบหลักอย่างหนึ่งของห่วงโซ่สัญญาณพาวเวอร์ซัพพลายคือตัวเก็บประจุ และคุณสมบัติหลายอย่างของอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยตอบสนองความต้องการของนักออกแบบ หากใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสม

ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ช่วยให้นักออกแบบพบความสมดุลที่เหมาะสมดังที่แสดงข้างต้น ซึ่งโครงสร้างช่วยให้มั่นใจได้ถึงค่าอิมพีแดนซ์ต่ำที่ความถี่สูงถึง 500 kHz ค่า ESR ต่ำ การปรับการกระเพื่อมให้ราบเรียบขึ้น ตลอดจนการป้องกันสัญญาณรบกวนที่ดีและการแยกส่วนบนสายไฟ นอกจากนี้ก็ไม่ต้องทนต่อข้อจำกัดความเบี่ยงเบนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงและสามารถรักษาตัวเองได้ ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือในการทำงาน และยังมีซัพพลายเชนที่เชื่อถือได้เนื่องจากไม่ใช้วัสดุที่มีความขัดแย้ง จากข้างต้นบ่งบอกได้ว่าตัวเก็บประจุอลูมิเนียมพอลิเมอร์ทำให้นักออกแบบมีตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพที่สูงขึ้นสำหรับการตอบสนองความต้องการของระบบการจัดการพลังงานที่หลากหลาย

บทความแนะนำ:

1. ความรู้พื้นฐาน: การทำความเข้าใจลักษณะของประเภทตัวเก็บประจุเพื่อการใช้งานอย่างเหมาะสมและปลอดภัย