用导电性聚合物电容器解决MLCC的课题

2018-10-09

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用导电性聚合物电容器解决MLCC的课题

MLCC的课题与对策

MLCC(叠层陶瓷电容器)虽然广泛用于多种多样的应用中,但也具有MLCC固有特性所造成的课题。 其中有几个课题可以通过导电性聚合物电容器采取对策。下面就给出两个例子。

MLCC的课题①: 因DC偏压、高温或低温使静电容量减少,因而个数增加

MLCC会因DC偏压而使得静电容量大大减少,这是已知的MLCC的特性。 此外,高温或低温时静电容量也会减少。

在这个例子中,施加15V的DC电压,静电容量的减少高达80%。此外,高温或低温时也会减少10%左右。

例如,施加15V的DC电压,将上述电容的减少估计在内需要大约47µF的静电容量,以公称静电容量值的20%为基准确保静电容量足够。 如图中22µF MLCC的情况下,可计算如下:

22µF×20%=4.4µF  47µF÷4.4µF≅10.7个

在这个例子中,为了确保电路要求的静电容量47µF,按公称静电容量22µF的MLCC计算,需要总公称静电容量220µF以上、个数在10个以上。 选择静电容量大的MLCC可以减少个数,但一般的耐压25V的片式MLCC,47µF左右就是上限,需要较大的静电容量时,一般采取使用多个价格低廉的小电容MLCC的形式来实现。

课题①的对策:用静电容量相对于DC偏压及温度几乎不会变化的导电性聚合物电容器替代

导电性聚合物电容器的静电容量几乎不会像MLCC那样因DC偏压及温度而降低。 因此,在这个示例中,10个22µF的MLCC,可以用1个47µF的导电性聚合物电容器替换,通过削减个数可以削减包括实装在内的总成本,有时还可以削减贴装面积。

这里介绍具体示例。这是HDD的例子,为了保证停电时的内存备份和硬盘安全停止,需要12V时为140µF左右的静电容量。 如果用22µF的MLCC来确保这一点,按DC偏压导致的静电容量减少约80%计,则需要36个电容器,公称静电容量为792µF。 相对于此,使用导电性聚合物电容器SP-Cap则只要47µF×3个即可,削减了个数、贴装面积和总成本。这是SP-Cap的示例,除POSCAP外,用其他的导电性聚合物电容器也可以同样达到削减。

MLCC的课题②: 发生啸叫和轻微振动

MLCC具有逆压电效应的特性,即施加电压后会发生变形(伸缩)。这是压电(Piezo)效应的逆现象。 如果施加的电压是DC电压,则只发生变形,而如果电压有周期性振幅,则MLCC会周期性地伸缩,使基板振动。 如果其振动频率为可听频区,则可以听到“刺铃”的刺耳声音。 AC适配器及开关电源的输出等,在DC电压有时含有脉动电压,当脉动频率在可听频区时就有可能发生啸叫。

此外,有时虽然不至发出声音,但轻微振动也会对设备的工作造成影响。 HDD的例子中,有磁头上安装的MLCC的轻微振动造成数据出错的实例。

课题②的对策:用没有逆压电效应的导电性聚合物电容器替代

针对MLCC的啸叫,MLCC也准备了对策产品。 包括用变形较少的材料制造的、将电极间的长度减小到比宽度更短的LW逆转结构型的, 以及伸出金属端子和被称为金属框的引线的等等。 这些品种都确认可以降低啸叫及轻微振动,但并不能完全消除。

相对于此,导电性聚合物电容器没有逆压电效应,因此也完全没有啸叫及轻微振动。 下面给出对MLCC和对策产品的带金属端子的MLCC、以及导电性聚合物电容器的啸叫进行比较的示例。

这个示例为笔记本电脑通过DC/DC转换器对来自AC适配器的电压进行降压的降压电路中, 作为输入电容器使用的MLCC导致啸叫发生。 带金属端子的MLCC作为MLCC的对策产品被认为效果较好,并已确认可以降低啸叫的声压。 图中红线为普通的MLCC,绿线为带金属端子的MLCC。

用1个导电性聚合物电容器SP-Cap 33µF, 替代使用了8个带金属端子的10µF MLCC的结构, 对啸叫进行了确认,果然SP-Cap完全没有发生啸叫及轻微振动,彻底解决了啸叫的问题。 这个也是SP-Cap的例子,其他的导电性聚合物电容器也可以采取同样的对策,达到该效果。

松下电器的导电性聚合物电容器

导电性聚合物电容器,通过对电解质使用导电性聚合物,实现了低ESR、优异的高频特性、不依赖于温度和电压的稳定特性。 松下电器完整配备各种导电性聚合物电容器,用4种商品全面覆盖导电性聚合物电容器市场。

名称/形状
铝聚合物(叠层)

钽聚合物

铝聚合物(卷绕)

铝混合物
主要特点
  • 行业顶级的超低ESR
  • ・脉动和噪声降低效果大
  • ・高频特性优异,最适合替代MLCC
  • 小型、大电容、低ESR
  • ・小型,有助于节省空间
  • ・小型、大电容,最适合替代MLCC
  • 高耐压、对应高脉动电流、低ESR
  • ・扩展到高耐压区,有助于降低脉动噪声
  • 高可靠性、高耐压、低ESR
  • ・有助于铝电解电容器的小型化及长寿命化
产品范围
  • 额定电压
  • 电容
  • ESR
  • 尺寸(面积)
  • 尺寸(高度)

  • 2V~35V
  • 10µF~560µF
  • 40mΩ~3mΩ
  • 7343
  • 2mm~1mm

  • 2V~35V
  • 10µF~1500µF
  • 300mΩ~5mΩ
  • 7343~2012
  • 4mm~1mm

  • 2V~100V
  • 10µF~2700µF
  • 200mΩ~8mΩ
  • -
  • 13mm~4.5mm

  • 25V~80V
  • 10µF~470µF
  • 120mΩ~20mΩ
  • -
  • 10mm~6mm

总结

上面针对与MLCC的固有特性相关的课题和基于导电性聚合物电容器的对策列举了两个示例。

一个是,MLCC考虑到DC偏压和温度造成的静电容量降低的量,必须相应地设定使用个数,以达到所要求的静电容量。 同时,1个电容器的静电容量并不够大,因此需要配置多个静电容量小的MLCC。 而导电性聚合物电容器的静电容量几乎不会因DC偏压及温度而变化,并且有静电容量较大的电容器, 通过用其置换MLCC,可以削减电容器的个数、贴装面积和总成本。

另一个是,针对MLCC的逆压电效应导致的啸叫和轻微振动的对策。虽然MLCC也有对策产品, 但导电性聚合物电容器没有逆压电效应,因此通过替代可以完全解决这一问题。

上面给出的示例是用导电性聚合物电容器的SP-Cap替代的例子,根据要求事项及条件, 可以从SP-Cap、POSCAP、OS-CON、Hybrid这4种导电性聚合物电容器中选择最佳的电容器。

详细数据的提供

松下电器通过网站提供导电性聚合物电容器以及其他电子器件的详细数据。

■特性查看器
(https://util01.industrial.panasonic.com/ea/utilities/ds/chr-vw/)

所谓特性查看器,是以频率轴、温度轴等来对所选零部件的各种特性进行图形显示的工具。 由于可轻易地确认使用频率区域内的特性值变化等零部件特性,所以可作为零部件选定工具大显身手

导电性聚合物电容器的SP-Cap、POSCAP的示例中, 可以显示阻抗|Z|、等效电阻ESR、静电容量C、等效电感ESL的频率特性。

一个例子: EEFSX0D471E4 (SX系列, 2V 470μF, ESR4.5mΩ)

■仿真用数据库
(https://industrial.panasonic.cn/ea/downloads/simulation-data)

可以按每个个别产品编号,下载频率特性数据(PDF)、等价电路模型(SPICE模型)和S参数。

一个例子:EEFSX0D471**(SX系列、2V470μF)