Pourquoi et comment utiliser des condensateurs aluminium polymère pour alimenter efficacement CPU, ASIC, FPGA et USB

Les concepteurs de solutions d'alimentation pour les systèmes et sous-systèmes électroniques, y compris les circuits intégrés, les circuits intégrés à application spécifique (ASIC), les unités centrales (CPU) et les réseaux de portes programmables par l'utilisateur (FPGA), ainsi que l'alimentation USB, cherchent constamment à améliorer le rendement tout en garantissant une alimentation stable et sans bruit sur de larges plages de températures dans un facteur de forme compact. Ils doivent améliorer le rendement, la stabilité et la fiabilité, réduire les coûts et diminuer le facteur de forme de la solution. Dans le même temps, ils doivent répondre aux exigences de performances énergétiques toujours plus élevées des applications, notamment le lissage des courants d'entrée et de sortie des circuits d'alimentation, la prise en charge des pics de puissance et la suppression des fluctuations de tension.

Pour relever ces défis, les concepteurs ont besoin de condensateurs présentant une faible résistance série équivalente (ESR) et une faible impédance à haute fréquence afin d'atténuer l'ondulation et de garantir une réponse transitoire régulière et rapide. En outre, la fiabilité opérationnelle et la fiabilité de la chaîne d'approvisionnement sont toutes les deux importantes.

Si l'on considère les problèmes et les options, les condensateurs électrolytiques aluminium polymère apparaissent comme une bonne solution, car ils présentent des performances électriques élevées, une grande stabilité, un faible bruit, une haute fiabilité, un facteur de forme compact et un faible risque pour la chaîne d'approvisionnement, car ils n'utilisent pas de matériaux issus de zones de conflits. Ils combinent une faible ESR (généralement mesurée en milliohms (mΩ)) et de faibles impédances à haute fréquence (jusqu'à 500 kilohertz (kHz)), offrant ainsi d'excellentes performances de suppression du bruit, d'absorption des ondulations et de découplage sur les lignes électriques. Ils présentent également une stabilité de capacité à des fréquences et des températures de fonctionnement élevées.

Cet article présente un aperçu du fonctionnement et de la fabrication des condensateurs électrolytiques aluminium polymère. Il compare les performances de ces condensateurs avec d'autres technologies de condensateurs, avant d'aborder des applications spécifiques pour les condensateurs électrolytiques aluminium polymère. Enfin, il présente des composants représentatifs de Murata et des considérations d'application que les concepteurs doivent prendre en compte lorsqu'ils utilisent ces condensateurs.

Comment sont fabriqués les condensateurs aluminium polymère

Les condensateurs aluminium polymère ont une cathode en feuille d'aluminium gravée, un diélectrique à film oxydé en aluminium et une cathode en polymère conducteur (Figure 1). Selon le dispositif, ils sont disponibles avec des capacités de 6,8 microfarads (µF) à 470 µF et couvrent une plage de tensions de 2 volts CC (VCC) à 25 VCC.

Figure 1 : Modèle de condensateur électrolytique aluminium polymère montrant la relation entre l'anode en feuille d'aluminium gravée (à gauche), le diélectrique à film oxydé en aluminium (au centre) et la cathode en polymère conducteur (à droite). (Source de l'image : Murata)

Dans les dispositifs de la série ECAS de Murata, la feuille d'aluminium gravée est fixée directement à l'électrode positive, tandis que le polymère conducteur est recouvert d'une pâte de carbone et relié à l'électrode négative à l'aide d'une pâte d'argent conductrice (Figure 2). La structure complète est enveloppée dans une résine époxy moulée pour la résistance mécanique et la protection environnementale. Le boîtier extra-plat à montage en surface qui en résulte est sans halogène et répertorié au niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) 3. La structure multicouche (laminée) de la feuille d'aluminium et du film oxydé différencie la série ECAS de Murata des condensateurs électrolytiques aluminium typiques, tels que les structures bobinées de type boîte qui peuvent utiliser un polymère ou un électrolyte comme cathode.

Figure 2 : Structure du condensateur aluminium polymère série ECAS montrant le polymère conducteur (rose), la feuille d'aluminium gravée (blanc), le film oxydé en aluminium (Al) (bleu), la pâte de carbone (marron) et la pâte d'argent (gris foncé) qui relient le polymère conducteur à l'électrode négative et au boîtier en résine époxy. (Source de l'image : Murata)

La combinaison de la structure laminée et de la sélection de matériaux permet aux condensateurs ECAS d'avoir la plus faible résistance ESR disponible pour des condensateurs électrolytiques. Les condensateurs aluminium polymère de la série ECAS offrent des capacités comparables à celles des condensateurs tantale (Ta) polymère, des condensateurs dioxyde de manganèse (MnO₂) Ta et des condensateurs en céramique multicouches (MLCC), avec des valeurs ESR comparables à celles des MLCC et inférieures à celles des condensateurs Ta MnO₂ ou polymère (Figure 3).

Figure 3 : Les condensateurs aluminium polymère (série ECAS) présentent des valeurs de capacité supérieures et des valeurs ESR comparables à celles des MLCC, et des valeurs ESR plus faibles avec une capacité comparable par rapport aux condensateurs aluminium de type boîte et tantale. (Source de l'image : Murata)

Pour les applications sensibles au coût, les condensateurs électrolytiques aluminium et les condensateurs Ta (MnO₂) peuvent constituer des solutions relativement bon marché. Les condensateurs électrolytiques aluminium ou tantale classiques utilisent un électrolyte ou du dioxyde de manganèse (MnO₂) comme cathode. L'utilisation d'une cathode en polymère conducteur dans les condensateurs ECAS permet d'obtenir une résistance ESR plus faible, des caractéristiques thermiques plus stables, une sécurité améliorée et une durée de vie plus longue (Figure 4). Les MLCC, bien que relativement peu coûteux, souffrent de caractéristiques de polarisation continue que l'on ne retrouve pas dans les autres technologies de condensateurs.

Figure 4 : Les condensateurs aluminium polymère fournissent la combinaison de base de faible ESR, de caractéristiques de polarisation continue, de caractéristiques de température, de durée de vie et de fiabilité. (Source de l'image : Murata)

La caractéristique de polarisation continue fait référence au changement de capacité d'un MLCC avec une tension CC appliquée. Lorsque la tension CC appliquée augmente, la capacité effective du MLCC diminue. Lorsque la polarisation continue augmente à quelques volts, les MLCC peuvent perdre de 40 à 80 % de leur valeur de capacité nominale, ce qui les rend inadaptés à de nombreuses applications de gestion de l'alimentation.

Les caractéristiques de performances des condensateurs électrolytiques aluminium polymère les rendent bien adaptés aux applications de gestion de l'alimentation, notamment les alimentations pour CPU, ASIC, FPGA et autres grands circuits intégrés, et pour répondre aux besoins de puissance de crête dans les systèmes d'alimentation USB (Figure 5).

Figure 5 : Ex. 1 (en haut) : condensateurs aluminium polymère dans un circuit de gestion de l'alimentation, utilisés dans des applications cibles pour éliminer l'ondulation et lisser et stabiliser les sources de tension. Ex. 2 (en bas) : les condensateurs aluminium polymère peuvent supporter les exigences de puissance de crête dans les systèmes d'alimentation USB. (Source de l'image : Murata)

Les condensateurs aluminium polymère présentent une faible résistance ESR, une faible impédance et une capacité stable, ce qui les rend adaptés à des applications telles que le lissage et l'élimination de l'ondulation, en particulier sur les lignes électriques soumises à de grandes fluctuations de la charge de courant. Dans ces applications, les condensateurs aluminium polymère peuvent être utilisés en combinaison avec des MLCC.

Les condensateurs aluminium polymère fournissent des fonctions de gestion de l'alimentation, et les MLCC filtrent le bruit haute fréquence sur les broches d'alimentation des circuits intégrés. Les condensateurs aluminium polymère peuvent également répondre aux besoins de puissance de crête des systèmes d'alimentation USB tout en maintenant une faible empreinte sur les circuits imprimés.

Condensateurs aluminium polymère

Les condensateurs aluminium polymère ECAS sont disponibles en quatre tailles de boîtier EIA 7343 métriques, selon leurs caractéristiques nominales : D3 (7,3 millimètres (mm) x 4,3 mm x 1,4 mm de hauteur) ; D4 (7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm de hauteur) ; D6 (7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm de hauteur) ; et D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm de hauteur). Ils sont disponibles en formats DigiReel, bande coupée, et bande et bobine (Figure 6). Les autres spécifications incluent :

• Plage de capacités : 6,8 µF à 470 μF
• Tolérances de capacité : ±20 % et +10 %/-35 %
• Tensions nominales : 2 VCC à 16 VCC
• ESR : 6 mΩ à 70 mΩ
• Température de fonctionnement : -40°C à +105°C

Figure 6 : Les condensateurs aluminium polymère ECAS sont proposés en formats DigiReel, bande coupée et bande et bobine, et sont disponibles en tailles de boîtier D3, D4, D6 et D9. (Source de l'image : Murata)

Murata a récemment étendu la gamme ECAS pour inclure des dispositifs de 330 µF (±20 %), 6,3 V, tel que l'ECASD60J337M009KA0 avec une résistance ESR de 9 mΩ dans un boîtier D4. Des valeurs de capacité plus élevées peuvent contribuer à un meilleur lissage de l'ondulation et à une réduction du nombre de condensateurs nécessaires, réduisant la taille globale de la solution.

Par exemple, lorsqu'il est utilisé pour filtrer la sortie d'un convertisseur CC/CC commutant à 300 kHz, le condensateur aluminium polymère ECASD40D337M006KA0 de 330 µF (±20 %), 2 V, avec une résistance ESR de 6 mΩ, produira une tension d'ondulation de 13 millivolts crête-à-crête (mVp-p), par rapport à un condensateur aluminium polymère avec une ESR de 15 mΩ, qui produit une tension d'ondulation de 36 mVp-p, ou un condensateur électrolytique aluminium avec une ESR de 900 mΩ, qui produit une tension d'ondulation de 950 mVp-p.

D'autres exemples de condensateurs ECAS incluent l'ECASD40D157M009K00, répertorié à 150 µF (±20 %) et 2 VCC avec une ESR de 9 mΩ en boîtier D4, et l'ECASD41C686M040KH0, répertorié à 68 µF (±20 %) et 16 VCC avec une ESR de 40 mΩ, également en boîtier D4. Les fonctionnalités des condensateurs aluminium polymère ECAS incluent :

• Haute capacité avec faible ESR
• Capacité stable avec tension CC appliquée/température/hautes fréquences
• Excellentes performances d'absorption de l'ondulation, de lissage et de réponse transitoire
• Aucun détarage en tension requis
• Élimination du bruit acoustique créé par les condensateurs en céramique (effet piézo)
• Barre de polarité (positive) notée sur le produit
• Construction à montage en surface
• Conformité à RoHS
• Sans halogène
• Conditionnement MSL 3

Considérations de conception

Les condensateurs électrolytiques aluminium polymère ECAS sont optimisés pour une utilisation dans les applications de gestion de l'alimentation ; ils ne sont pas recommandés pour une utilisation dans des circuits à temps constant, des circuits de couplage ou des circuits sensibles aux courants de fuite. Les condensateurs ECAS ne sont pas conçus pour être connectés en série. Les autres considérations de conception incluent :

• Polarité : Les condensateurs électrolytiques aluminium polymère sont polarisés et doivent être connectés avec la bonne polarité. Même l'application momentanée d'une tension inverse peut endommager le film d'oxyde et nuire aux performances du condensateur.
• Tension de fonctionnement : Lorsque ces condensateurs sont utilisés dans des circuits à courant alternatif ou ondulé, la tension crête-à-crête (Vp-p), ou la tension décalage-à-crête (Vo-p), qui inclut la polarisation continue, doit être maintenue dans la plage de tensions nominales. Dans les circuits de commutation pouvant subir des tensions transitoires, la tension nominale doit être suffisamment élevée pour inclure également les pics transitoires.
• Courant d'appel : Si un courant d'appel supérieur à 20 ampères (A) est attendu, une limitation supplémentaire du courant d'appel est nécessaire pour maintenir le courant d'appel de crête à 20 A.
• Courant ondulé : Chaque modèle de la série ECAS a des caractéristiques de courant ondulé spécifiques qui ne doivent pas être dépassées. Des courants ondulés excessifs génèrent de la chaleur qui peut endommager le condensateur.
• Température de fonctionnement :
  • Pour déterminer la température nominale du condensateur, les concepteurs doivent prendre en compte la température de fonctionnement de l'application, y compris la répartition de la température à l'intérieur de l'équipement et tout facteur de température saisonnier.
  • La température de surface du condensateur doit rester dans la plage de températures de fonctionnement, y compris tout auto-échauffement du condensateur résultant de facteurs d'application spécifiques tels que les courants ondulés.

Conclusion

Il est difficile pour les concepteurs de systèmes d'alimentation d'atteindre un équilibre optimal entre rendement, performances, coût, stabilité, fiabilité et facteur de forme, en particulier lorsqu'il s'agit d'alimenter de grands circuits intégrés tels que des microcontrôleurs, des circuits ASIC et des FPGA, et de répondre aux besoins de puissance de crête des applications USB. L'un des principaux composants de la chaîne de signaux d'alimentation est le condensateur, et ces dispositifs présentent de nombreuses caractéristiques qui permettent de répondre aux exigences des concepteurs — si la technologie appropriée est utilisée.

Comme illustré, les condensateurs aluminium polymère aident les concepteurs à trouver le bon équilibre. Leur structure garantit de faibles impédances à des fréquences jusqu'à 500 kHz, une faible résistance ESR, un bon lissage de l'ondulation, ainsi qu'une suppression du bruit et un découplage corrects sur les lignes électriques. De plus, ils ne souffrent pas des limitations de polarisation continue et ils sont auto-régénérateurs, ce qui améliore la fiabilité opérationnelle. Ils présentent également une chaîne d'approvisionnement plus fiable, car ils n'utilisent pas de matériaux issus de zones de conflits. Dans l'ensemble, les condensateurs aluminium polymère offrent aux concepteurs une option plus performante pour répondre aux exigences d'une large gamme de systèmes de gestion de l'alimentation.

Lecture recommandée :

1. Principes de base : comprendre les caractéristiques des différents types de condensateurs pour les utiliser de manière appropriée et sûre