В большинстве современных приложений применяются блоки питания переменного тока или источники питания AC/DC, которые обеспечивают напряжение постоянного тока. В некоторых схемах используется одна шина питания по постоянному току, которая создает дополнительное напряжение для отдельных силовых ИС. Конденсаторы емкостью, как правило, выше 100 мкФ и сглаживающие конденсаторы позволяют выровнять колебания постоянного напряжения при изменении нагрузки, переходных процессах при ее регулировании и кратковременных посадках напряжения выпрямителя. Устройства на самых современных полупроводниках работают при меньшем напряжении питания. В некоторых случаях – при 0,6 В постоянного тока. Следовательно, требуются сглаживающие конденсаторы с более низким импедансом, чтобы обеспечить стабильность функционирования схемы.

 

В таблице 1 представлены разные типы конденсаторов, классифицированные по их базовой конструкции и составным материалам, а также отмечены преимущества и недостатки каждого из указанных типов. У многослойных керамических конденсаторов (МКК) имеется ряд преимуществ, к которым относятся малые размеры и компактность, сравнительно высокая надежность и малый импеданс или эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Кроме того, у конденсаторов этого типа очень конкурентоспособная цена. К числу их недостатков относятся тепловая зависимость емкости и уменьшение эффективной емкости при приложенном напряжении.

Как следствие, большинство миниатюрных конденсаторов с высокой емкостью являются многослойными керамическими конденсаторами, а большинство сглаживающих конденсаторов емкостью более 100 мкФ и с малым импедансом, используемых в современных приложениях, являются электролитическими конденсаторами с проводящим полимером.

Однако недостатки МКК для применения этих компонентов в качестве сглаживающих конденсаторов уменьшаются путем постоянных технологических усовершенствований, позволяющих в еще больше мере увеличить емкость. Например, компания Murata Manufacturing уже освоила технологии, которые обеспечивают надежное массовое производство с высокой точностью конденсаторов с более чем 1000 диэлектрических слоев толщиной менее 1 мкм, что дает возможность уменьшить суммарную толщину этих компонентов емкостью 100 мкФ. На рисунке 1 показан пример МКК емкостью 330 мкФ и размером 3,2×2,5 мм.

Учитывая отраслевую тенденцию, направленную на использование микроконтроллеров и цифровых логических блоков с пониженным напряжением питания, следует заметить, что влияние смещения МКК по постоянному току на уменьшение эффективной емкости сократилось. Таким образом, МКК с более высокой емкостью все чаще рассматриваются как вполне приемлемые конденсаторы, сглаживающие напряжение питания по постоянному току.

Заметим, что для замены электролитических конденсаторов с проводящим полимером, которые традиционно применяются для сглаживания напряжения, можно выбрать МКК с меньшей емкостью. Дело в том, что у многослойных керамических конденсаторов ниже импеданс и эквивалентное последовательное сопротивление по сравнению с упомянутыми электролитическими конденсаторами (см. рис. 2).

 

Из рисунка 2 видно, что при частотах выше 100 кГц, которые используются для коммутации ИС питания в цифровых устройствах, значения импеданса и ESRмногослойных керамических конденсаторов меньше, чем у танталовых электролитических конденсаторов с проводящим полимером, даже если у последних меньше емкость, чем у первых. Кроме того, МКК лучше подавляют ВЧ-шум, поскольку на частотах выше резонансной у них намного меньше импеданс, чем у ТЭКПП.

Чтобы установить разницу между конденсаторами разных типов, было проведено исследование с помощью макетной платы и ИС питания DDR для персональных компьютеров.

 

 

На рисунке 3 показана схема макетной платы, а в таблице 2 представлены результаты испытаний. В рассматриваемом примере использовалось напряжение 1,4 В постоянного тока и два ТЭКПП (7,3×4,3 мм, 2,0 В, 330 мкФ, со средним разбросом от номинального значения) в качестве сглаживающих конденсаторов. Затем эти компоненты заменили 150-мкФ и 220-мкФ многослойными керамическими конденсаторами (3,2×1,6 мм, 6,3 В, со средним разбросом от номинального значения), чтобы определить, как меняется напряжение в зависимости от напряжения пульсации, скачков напряжения и нагрузки. Перед испытанием была осуществлена фазовая подстройка, чтобы обеспечить стабильное функционирование макетной платы.

Полученные результаты показали, что при использовании МКК напряжение пульсаций ниже, даже если у этих конденсаторов меньше номинальное значение емкости, чем у ТЭКПП. По всей вероятности, это обусловлено тем, что на коммутационной частоте у МКК меньше импеданс и ESR, что приводит к меньшему отклонению напряжения. Кроме того, результаты свидетельствуют о том, что у МКК меньше выбросы напряжения. Возможно, так происходит потому, что у этих конденсаторов меньше величина ESL, что позволяет подавлять ВЧ-шум. 

Однако при изменении нагрузки, когда ток существенно меняется, заметно меняется и напряжение, если используются МКК емкостью 150 мкФ. Причина, скорее всего, заключается в том, что изменение нагрузки обусловлено корреляцией эффективной емкости конденсаторов с приложенным напряжением. У МКК, задействованных в этом испытании, меньше номинальная емкость по сравнению с ТЭКПП, а эффективная емкость многослойных керамических конденсаторов меньше из-за того, что они заряжены до постоянного напряжения. Как известно, емкость МКК зависит от напряжения заряда. Такова причина значительного изменения напряжения в данном случае. Однако это изменение уменьшается при использовании 220-мкФ конденсаторов.

В связи с быстрым увеличением числа низковольтных полупроводниковых устройств электролитические конденсаторы с проводящим полимером, большой емкостью и малым ESR стали широко применяться в качестве сглаживающих конденсаторов для силовых ИС, которые используются для питания этих устройств по постоянному току. Однако при эксплуатации других устройств, например серверов, в которых применяются эти полупроводники, важнее такие параметры компонентов как сравнительно малые размеры и долговременная надежность. Эти же параметры определяют выбор сглаживающих конденсаторов. Таким образом, увеличился спрос на многослойные керамические конденсаторы емкостью выше 100 мкФ. У этих более надежных компонентов – миниатюрные размеры, малые значения импеданса, ESR и ESL.   

Оригинал статьи