MLCCs (Multi-layered Ceramic Capacitors (Mehrschicht-Keramikkondensatoren)) werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, bringen jedoch aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften Probleme mit sich. Einige dieser Probleme können durch den Einsatz von leitfähigen Polymer-Kondensatoren gelöst werden. Die folgenden zwei Beispiele zeigen, wie sich diese einsetzen lassen.

Problem Nr. 1: Zu viele MLCCS

Wenn MLCCs mit einer Gleichstromvorspannung versorgt oder bei hohen oder niedrigen Temperaturen betrieben werden, sinkt ihre Kapazität. Dadurch steigt die Anzahl der erforderlichen MLCCs.

Wir gehen von einem Fall aus, in dem MLCCs eine Gesamtkapazität von etwa 47 µF haben müssen, wenn sie mit einer 15-V-Gleichstromvorspannung versorgt werden. Wie in Abbildung 1 dargestellt, reduziert eine 15-V-Gleichstromvorspannung die Nennkapazität der MLCCs um 80 %. Für die in den Diagrammen angegebenen 22-µF-MLCCs wird die Anzahl der zu verwendenden MLCCs wie folgt berechnet:

22 µF × 20 % = 4,4 µF. Daher ergibt sich 47 µF ÷ 4,4 µF ≅ 10,7

In diesem Beispiel sind zehn oder mehr 22-µF-MLCCs erforderlich, um die Gesamtkapazität von 47 µF zu erreichen, was eine Gesamtnennkapazität von 220 µF oder mehr ergibt. Die Anzahl der verwendeten MLCCs kann durch die Verwendung eines MLCCs mit einer größeren Kapazität reduziert werden. Wenn eine größere Kapazität erforderlich ist, werden daher in der Regel mehrere MLCCs verwendet, die kostengünstiger sind und eine geringere Kapazität aufweisen.

Eine weitere mögliche Lösung ist der Austausch von MLCCs durch leitfähige Polymer-Kondensatoren, deren Kapazität bei Gleichstromvorspannung oder extremen Temperaturbedingungen stabil bleibt.

Im Gegensatz zu einem MLCC weist ein leitfähiger Polymer-Kondensator bei Gleichstromvorspannung oder extremen Temperaturbedingungen nur einen geringen Kapazitätsabfall auf. Die zehn 22-µF-MLCCs aus dem oben beschriebenen Beispiel können durch einen leitfähigen Polymer-Kondensator mit 47 µF ersetzt werden. Diese Reduzierung der Kondensatoranzahl senkt die Gesamtkosten und die Kosten für das Gehäuse und kann auch die Montagefläche verkleinern, wodurch Platz auf der Leiterplatte gespart wird.

Um die Kapazität von 140 µF in Abbildung 2 zu erreichen, benötigen wir mindestens 32 MLCCs mit 22 µF (im Bild sind 36 zu sehen), wodurch sich die Gesamtnennkapazität auf 704 µF erhöht. Ausgehend von der Annahme, dass die Kapazität jedes MLCC aufgrund von Gleichstromvorspannungen um etwa 80 % reduziert ist, ergibt dies ~141 µF. Wenn wir jedoch leitfähige SP-Cap-Polymer-Kondensatoren verwenden, liefern drei dieser Kondensatoren 47 µF × 3 = 141 µF, was ebenfalls die Kapazitätsanforderung erfüllt. Dies reduziert die Anzahl der verwendeten Kondensatoren und die dafür benötigte Montagefläche, was wiederum die Gesamtkosten senkt. Neben dem SP-Cap bieten auch andere leitfähige Polymer-Kondensatoren wie POSCAP die gleichen Vorteile.

Problem Nr. 2: „Fiepende“ Geräuschemission und Mikrovibrationen

Ein MLCC verformt sich (zieht sich zusammen/dehnt sich aus), wenn eine Spannung angelegt wird. Diese Eigenschaft wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Das Anlegen einer Gleichspannung an den MLCC führt lediglich zu einer Verformung. Wenn die angelegte Spannung jedoch ein Wechselspannungselement aufweist, zieht sich der MLCC entsprechend zusammen und dehnt sich aus, wodurch das Substrat vibriert. Wenn die Frequenz solcher Schwingungen im hörbaren Frequenzbereich liegt, ist das resultierende Geräusch ein unangenehmes Fiepen. So kann beispielsweise die Gleichspannung, die von einem Wechselstromadapter oder Schaltnetzteil ausgegeben wird, eine Restwelligkeit aufweisen. Wenn die Frequenz der Restwelligkeit im hörbaren Frequenzbereich liegt, kann dies zu hörbaren Geräuschen führen.

Es gibt auch Fälle, in denen selbst nicht hörbare Mikrovibrationen den Betrieb von Geräten stören, z. B. wenn die Mikrovibration eines MLCC, der auf dem Magnetkopf einer Festplatte platziert ist, einen Fehler beim Lesen/Aufzeichnen von Daten verursacht.

Dies kann durch den Austausch eines MLCC durch einen leitfähigen Polymer-Kondensator behoben werden, der keinen inversen piezoelektrischen Effekt aufweist.

Es gibt MLCC-Varianten, die zur Unterdrückung von Geräuschemissionen entwickelt wurden, wie beispielsweise:

• ein MLCC aus einem Material, das sich kaum verformt,
• ein MLCC mit einer umgekehrten Längen-Breiten-Struktur, bei der die Länge, d. h. der Abstand zwischen den Elektroden, kürzer ist als die Breite,
• ein MLCC mit Anschlüssen, die als Metallanschlüsse oder Metallrahmen bezeichnet werden.

Solche MLCCs reduzieren zwar die Geräuschemissionen und Mikrovibrationen, können sie aber nicht vollständig beseitigen.

Ein Kondensator aus leitfähigem Polymer hat keinen inversen piezoelektrischen Effekt und verursacht daher keine Geräuschemissionen oder Mikrovibrationen. Im Folgenden ist ein Beispiel dargestellt, in dem ein MLCC, ein verbesserter MLCC mit Metallanschlüssen und ein Kondensator aus leitfähigem Polymer in Bezug auf die Geräuschemission miteinander verglichen werden.

MLCCs mit Metallanschlüssen sind eine effektive Alternative zu herkömmlichen MLCCs. In Abbildung 3 zeigt die rote Kurve herkömmliche MLCCs, in der grünen Kurve sind MLCCs mit Metallanschlüssen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass MLCCs mit Metallanschlüssen Geräuschemissionen reduzieren.

In diesem Beispiel wurden acht 10 µF MLCCs mit Metallanschlüssen durch einen 33-µF-SP-Cap-Kondensator mit leitfähigem Polymer ersetzt und die Geräuschemission gemessen. Die blaue Linie im Diagramm zeigt, dass der SP-Cap weder Geräuschemissionen noch Mikrovibrationen verursacht und somit eine ideale Lösung für das Problem der Geräuschemission darstellt. Die Verwendung anderer Arten von leitfähigen Polymer-Kondensatoren bietet ähnliche Vorteile.

Leitfähige Polymer-Kondensatoren von Panasonic

Ein leitfähiger Polymer-Kondensator besitzt einen Elektrolyten aus leitfähigen Polymeren, der einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR), hervorragende Hochfrequenzeigenschaften und stabile Eigenschaften unabhängig von Temperatur oder Spannung bietet. Panasonic hat vier Arten von leitfähigen Polymerkondensatoren im Angebot.

Aluminium-Polymer-Kondensatoren SP-Cap

Die Produktfamilie SP-Cap besteht aus mehreren Serien mit Kapazitätsbereichen von bis zu 560 µF, einem Spannungsbereich von 2 V_DC bis 35 V_DC und dem branchenweit niedrigsten ESR/Impedanzwert, wodurch eine sehr gute Rauschunterdrückung und ein sehr gutes Einschwingverhalten erzielt werden.

Spezial-Aluminium-Polymer-Kondensatoren EEF-SX

Sehr niedriger ESR von 4,5 mΩ bis 9 mΩ, Kapazitätsbereich von 82 µF bis 560 µF, Spannungsbereich von 2 V_DC bis 6,3 V_DC.

Tantal-Polymer-Feststoffkondensatoren POSCAP

Stabile Kapazität bei hoher Frequenz und Temperatur: Spannungsbereich von 2 V_DC bis 35 V_DC und ein Kapazitätsbereich von 3,9 µF bis 1500 µF

Aluminium-Polymer-Feststoffkondensatoren OS-CON™

ESR von nur 5 mΩ, Kapazitätsbereich von 3,3 µF bis 2700 µF, Restwelligkeit bis zu 7,2 A_rms und Spannungsbereich von 2 V_DC bis 100 V_DC.

Fazit

In diesem Artikel wurden zwei Probleme mit MLCCs erörtert, die auf ihre spezifischen Eigenschaften zurückzuführen sind. Es wurden Lösungen vorgestellt, bei denen alternative Technologien wie leitfähige Polymer-Kondensatoren zum Einsatz kommen.

Das erste Beispiel zeigte, dass die Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von MLCCs unter einer Gleichstromvorspannung und extremen Betriebstemperaturen durch die Wahl einer widerstandsfähigeren Technologie gemildert werden. Leitfähige Polymer-Kondensatoren stellen eine überzeugende Alternative dar, da sie bei Gleichstromvorspannungen und extremen Temperaturbedingungen nur minimale Kapazitätsschwankungen aufweisen. Sie sind mit hohen Kapazitätswerten erhältlich, wodurch die Anzahl der verwendeten Kondensatoren reduziert, Montagefläche eingespart und die Gesamtkosten gesenkt werden können.

Im zweiten Beispiel haben wir die Lösung für die durch den inversen piezoelektrischen Effekt von MLCCs verursachten Geräuschemissionen und Mikrovibrationen beschrieben. Zwar unterdrücken einige verbesserte MLCCs die Geräuschemissionen und Mikrovibrationen bis zu einem gewissen Grad, leitfähige Polymer-Kondensatoren sind dagegen nicht anfällig für den inversen piezoelektrischen Effekt, wodurch Geräusche und Mikrovibrationen vollständig eliminiert werden.

In diesen Beispielen wird ein SP-Cap-Kondensator aus leitfähigem Polymer als typische Alternative zu einem MLCC beschrieben. Je nach den gegebenen Anforderungen, Bedingungen usw. lässt sich die optimale Alternative aus SP-Cap, POSCAP, OS-CON oder Hybrid auswählen.

Weitere Informationen

1) Anzeige von Eigenschaften: https:/util01.industrial.panasonic.com/ww/utilities/ds/chr-vw/

2) Simulationsdaten: https://industrial.panasonic.com/ww/downloads/simulation-data