Por qué y cómo utilizar capacitores de aluminio de polímero para alimentar eficazmente CPU, ASIC, FPGA y USB

Los diseñadores de soluciones de suministro de energía para sistemas y subsistemas electrónicos, incluidos los circuitos integrados, los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC), las unidades centrales de procesamiento (CPU) y las matrices de puertas programables en campo (FPGA), así como la alimentación USB, buscan constantemente formas de mejorar la eficiencia y garantizar al mismo tiempo una alimentación estable y sin ruido en amplios rangos de temperatura en un factor de forma compacto. Necesitan mejorar la eficiencia, la estabilidad y la fiabilidad, reducir el costo y reducir el factor de forma de la solución. Al mismo tiempo, deben cumplir con los requisitos de rendimiento energético cada vez mayores de la aplicación, incluidos la suavización de las corrientes de entrada y salida de los circuitos de alimentación, el apoyo a las demandas de potencia máxima y la supresión de las fluctuaciones de tensión.

Para hacer frente a estos retos, los diseñadores necesitan capacitores que tengan una baja resistencia en serie equivalente (ESR) y una baja impedancia a altas frecuencias para soportar la absorción de ondulaciones y garantizar una respuesta transitoria suave y rápida. Además, tanto la fiabilidad operativa como la de la cadena de suministro son importantes.

Si se analizan los problemas y las opciones, los capacitores electrolíticos de aluminio de polímero surgen como una buena solución, ya que presentan un alto rendimiento eléctrico, estabilidad, bajo ruido, fiabilidad, un factor de forma compacto y un bajo riesgo en la cadena de suministro, ya que no utilizan materiales conflictivos. Combinan una baja ESR (normalmente medida en miliohmios (mΩ)) y bajas impedancias a altas frecuencias (hasta 500 kilohercios (kHz)), proporcionando una excelente supresión de ruido, absorción de ondulaciones y rendimiento de desacoplamiento en las líneas eléctricas. También tienen estabilidad de capacitancia a altas frecuencias y temperaturas de funcionamiento.

Este artículo presenta una visión general de cómo funcionan los capacitores electrolíticos de aluminio de polímero y cómo se fabrican. Compara el rendimiento de estos condensadores con el de otras tecnologías de capacitores, antes de examinar las aplicaciones específicas de los condensadores electrolíticos de aluminio de polímero. Concluye con una revisión de dispositivos representativos de Murata y consideraciones de aplicación que los diseñadores deben tener en cuenta al utilizar estos capacitores.

¿Cómo se fabrican los capacitores de aluminio de polímero?

Los capacitores de aluminio de polímero tienen un cátodo de papel de aluminio grabado, un dieléctrico de película oxidada de aluminio y un cátodo de polímero conductor (Figura 1). Dependiendo del dispositivo específico, están disponibles con capacitancias de 6,8 a 470 microfaradios (µF) y cubren un rango de tensión de 2 a 25 voltios de corriente continua (Vdc).

Figura 1: Modelo de capacitor electrolítico de aluminio de polímero que muestra la relación entre el ánodo de papel de aluminio grabado (izquierda), el dieléctrico de película oxidada de aluminio (centro) y el cátodo de polímero conductor (derecha). (Fuente de la imagen: Murata)

En los dispositivos de la serie ECAS de Murata, la lámina de aluminio grabada se une directamente al electrodo positivo, mientras que el polímero conductor se cubre con una pasta de carbono y se conecta al electrodo negativo mediante una pasta de plata conductora (Figura 2). Toda la estructura está envuelta en una resina epoxi moldeada para darle resistencia mecánica y protección ambiental. El paquete de montaje superficial de bajo perfil resultante no contiene halógenos y está clasificado como nivel de sensibilidad a la humedad (MSL) 3. La estructura multicapa (laminada) del papel de aluminio y la película oxidada diferencia la serie ECAS de Murata de los típicos capacitores electrolíticos de aluminio, como las estructuras bobinadas de tipo lata que pueden utilizar un polímero o un electrolito como cátodo.

Figura 2: Estructura del dispositivo capacitor de aluminio de polímero de la serie ECAS que muestra el polímero conductor (rosa), la lámina de aluminio grabada (blanco), la película oxidada de aluminio (Al) (azul), la pasta de carbono (marrón) y la pasta de plata (gris oscuro) que conectan el polímero conductor con el electrodo negativo y la carcasa de resina epoxi. (Fuente de la imagen: Murata)

La combinación de la estructura laminada y la selección de materiales permite que los capacitores ECAS tengan la menor ESR disponible para capacitores electrolíticos. Los capacitores de aluminio polimérico de la serie ECAS ofrecen capacitancias comparables a las de los capacitores de tántalo polimérico (Ta), los capacitores de dióxido de manganeso Ta (MnO₂) y los capacitores cerámicos multicapa (MLCC), con ESR comparables a las de los MLCC y menores que las de los capacitores Ta de polímero o MnO₂ (Figura 3).

Figura 3: Los capacitores de aluminio polimérico (serie ECAS) presentan valores de capacitancia más altos y ESR comparables a los MLCC, y ESR más bajos con capacitancia comparable a los capacitores de tantalio y aluminio tipo lata. (Fuente de la imagen: Murata)

Para aplicaciones sensibles al coste, los condensadores electrolíticos de aluminio y los condensadores de Ta (MnO₂) pueden ofrecer soluciones relativamente económicas. Los condensadores electrolíticos convencionales de aluminio o tantalio utilizan un electrolito o dióxido de manganeso (MnO₂) como cátodo. El uso de un cátodo de polímero conductor en los capacitores ECAS da lugar a una menor ESR, unas características térmicas más estables, una mayor seguridad y una mayor vida útil (Figura 4). Los MLCC, aunque son relativamente baratos, tienen características de polarización de CC que no se encuentran en las otras tecnologías de capacitores.

Figura 4: Los capacitores de aluminio de polímero ofrecen la combinación básica de baja ESR, características de polarización de CC, características de temperatura, vida útil y fiabilidad. (Fuente de la imagen: Murata)

La característica de polarización de CC se refiere al cambio de capacidad de un MLCC con una tensión de CC aplicada. A medida que aumenta la tensión continua aplicada, la capacidad efectiva del MLCC disminuye. Cuando la polarización de CC aumenta a unos pocos voltios, los MLCC pueden perder entre el 40% y el 80% de su valor nominal de capacitancia, lo que los hace inadecuados para muchas aplicaciones de gestión de energía.

Las características de rendimiento de los capacitores electrolíticos de aluminio de polímero los hacen muy adecuados para aplicaciones de gestión de la energía, incluidas las fuentes de alimentación para CPU, ASIC, FPGA y otros grandes circuitos integrados, y para soportar las necesidades de potencia máxima en los sistemas de alimentación USB (Figura 5).

Figura 5: En el ejemplo 1 (arriba): capacitores de aluminio de polímero en un circuito de gestión de energía utilizado en aplicaciones de destino para eliminar el rizado y suavizar y estabilizar las fuentes de tensión. Ej. 2 (abajo): Los capacitores de aluminio de polímero pueden soportar las necesidades de potencia máxima en los sistemas de alimentación USB. (Fuente de la imagen: Murata)

Los capacitores de aluminio polimérico tienen una ESR baja, una impedancia baja y una capacitancia estable, lo que los hace adecuados para aplicaciones como el suavizado y la eliminación de ondulaciones, especialmente en líneas eléctricas sujetas a grandes fluctuaciones en la carga de corriente. En estas aplicaciones, los capacitores de aluminio de polímero pueden utilizarse en combinación con los MLCC.

Los capacitores de aluminio de polímero desempeñan funciones de gestión de la energía y los MLCC filtran el ruido de alta frecuencia en las patillas de alimentación de los circuitos integrados. Los capacitores de aluminio de polímero también pueden soportar las necesidades de potencia máxima en los sistemas de alimentación USB, manteniendo una pequeña huella en la placa de PC.

Capacitores de aluminio de polímero

Los capacitores de aluminio de polímero ECAS están disponibles en cuatro tamaños de caja métrica EIA 7343, según sus capacidades: D3: (7,3 milímetros (mm) x 4,3 mm x 1,4 mm de alto); D4 (7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm de alto); D6 (7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm de alto); y D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm de alto). Están disponibles en formato DigiReel, cinta cortada y cinta y carrete (Figura 6). Otras especificaciones son:

• Rango de capacitancia: 6.8 µF a 470 μF
• Tolerancias de capacitancia: ±20% y +10%/-35%
• Tensiones nominales: 2 Vcc a 16 Vcc
• ESR: 6 mΩ a 70 mΩ
• Temperatura de funcionamiento: -40 ºC a +105 ºC

Figura 6: Los capacitores de aluminio de polímero ECAS se ofrecen en formatos DigiReel, cinta cortada y cinta y carrete, y vienen en tamaños de caja D3, D4, D6 y D9. (Fuente de la imagen: Murata)

Murata ha ampliado recientemente la familia ECAS para incluir dispositivos de 330 µF (±20%) y 6.3 voltios como el ECASD60J337M009KA0 con una ESR de 9 mΩ en un tamaño de caja D4. Los valores de capacitancia más elevados pueden contribuir a mejorar el suavizado de ondulaciones y a reducir el número de capacitores necesarios, lo que reduce el tamaño total de la solución.

Por ejemplo, cuando se utiliza para filtrar la salida de un convertidor CC-CC que conmuta a 300 kHz, el capacitores de aluminio de polímero ECASD40D337M006KA0 de 330 µF (±20%) y 2 voltios con una ESR de 6 mΩ producirá una tensión de ondulación de 13 milivoltios pico a pico (mVp-p), en comparación con un capacitores de aluminio de polímero con una ESR de 15 mΩ, que produce una tensión de rizado de 36 mVp-p, o un condensador electrolítico de aluminio con una ESR de 900 mΩ, que produce una tensión de rizado de 950 mVp-p.

Otros ejemplos de condensadores ECAS son el ECASD40D157M009K00, de 150 µF (±20%) y 2 Vdc con una ESR de 9 mΩ en una caja D4, y el ECASD41C686M040KH0, de 68 µF (±20%) y 16 Vdc con una ESR de 40 mΩ, también en una caja D4. Las características de los capacitores de aluminio de polímero ECAS incluyen:

• Alta capacitancia combinada con baja ESR
• Capacitancia estable con tensión continua aplicada/temperatura/altas frecuencias
• Excelente absorción de ondulaciones, suavización y respuesta transitoria
• No requiere reducción de voltaje
• Eliminación del ruido acústico creado por los capacitores cerámicos (efecto piezoeléctrico)
• Barra de polaridad (positiva) anotada en el producto
• Construcción de montaje en superficie
• Cumplen con la directiva RoHS.
• Sin halógenos
• Embalaje MSL 3

Consideraciones sobre el diseño

Los capacitores electrolíticos de aluminio de polímero ECAS están optimizados para su uso en aplicaciones de gestión de potencia; no se recomienda su uso en circuitos de tiempo constante, circuitos de acoplamiento o circuitos sensibles a las corrientes de fuga. Los capacitores ECAS no están diseñados para ser conectados en serie. Otras consideraciones de diseño son:

• Polaridad: Los capacitores electrolíticos de aluminio de polímero están polarizados y deben conectarse con la polaridad correcta. Incluso una aplicación momentánea de una tensión inversa puede dañar la película de óxido y perjudicar el rendimiento del capacitor.
• Tensión de funcionamiento: Cuando estos capacitores se utilizan en circuitos de corriente alterna o de ondulación, la tensión pico a pico (Vp-p), o la tensión offset a pico (Vo-p), que incluye la polarización de corriente continua, debe mantenerse dentro del rango de tensión nominal. En los circuitos de conmutación que pueden experimentar tensiones transitorias, la tensión nominal debe ser lo suficientemente alta como para incluir también los picos transitorios.
• Corriente de irrupción: Si se espera una corriente de irrupción que supere los 20 amperios (A), se requiere una limitación adicional de la corriente de irrupción para mantener el pico de irrupción en 20 A.
• Corriente de ondulación: Cada modelo de la serie ECAS tiene unos valores nominales de corriente de ondulación específicos que no deben superarse. Unas corrientes de ondulación excesivas generarán calor que puede dañar el capacitor.
• Temperatura de funcionamiento:
  • Al determinar la temperatura nominal del condensador, los diseñadores deben tener en cuenta la temperatura de funcionamiento de la aplicación, incluida la distribución de la temperatura dentro del equipo y cualquier factor de temperatura estacional.
  • La temperatura de la superficie del condensador debe permanecer dentro del rango de temperatura de funcionamiento, incluyendo cualquier autocalentamiento del condensador resultante de los factores específicos de la aplicación, como las corrientes de rizado.

Conclusión:

A los diseñadores de sistemas de suministro de energía les resulta difícil lograr un equilibrio óptimo entre eficiencia, rendimiento, costo, estabilidad, fiabilidad y factor de forma, sobre todo cuando se trata de suministrar grandes circuitos integrados, como MCU, ASIC y FPGA, y cuando se trata de satisfacer las necesidades de potencia máxima en aplicaciones USB. Uno de los principales componentes de la cadena de señales de la fuente de alimentación es el condensador, y hay muchas características de estos dispositivos que ayudan a cumplir los requisitos de los diseñadores, si se utiliza la tecnología adecuada.

Como se ha demostrado, los capacitores de aluminio de polímero ayudan a los diseñadores a encontrar el equilibrio adecuado. Su estructura garantiza bajas impedancias a frecuencias de hasta 500 kHz, una baja ESR, un buen suavizado de ondulaciones, así como una buena supresión de ruidos y desacoplamiento en las líneas eléctricas. Además, no sufren las limitaciones de la polarización de CC y son autorreparables, lo que mejora la fiabilidad operativa. También tienen una cadena de suministro más fiable, ya que no utilizan materiales conflictivos. En conjunto, los capacitores de aluminio de polímero ofrecen a los diseñadores una opción de mayor rendimiento para satisfacer los requisitos de una amplia gama de sistemas de gestión de la energía.

Lectura recomendada:

1. Fundamentos: Comprender las características de los tipos de capacitores para utilizarlos de forma adecuada y segura