Алюминиевые конденсаторы: электролитический или полимерный?
Полноценная реализация их преимуществ

Алюминиевый полимерный конденсатор (также называемый полимерным электролитическим конденсатором, или, в англоязычной терминологии, — e‑caps) представляет собой своеобразную гибридную форму электролитических конденсаторов. Особенность конденсаторов этих типов заключается в том, что вместо жидкого электролита в них используется токопроводящий полимер. Для этого требуется специальный этап обработки, выполняемый во время их производства. Суть ее заключается в химической реакции, приводящей к полимеризации жидкого мономера путем его нагревания. Этим мономером пропитывается сепаратор в виде бумаги, которая после полимеризации становится единым целым с отвердевшим полимером. Процесс полимеризации обычно проводят при температуре около +100 °C. По завершении полимер полностью затвердевает.

Помимо перечисленных в таблице 1 вариантов, существует и возможность создания гибридных конструкций электролитических конденсаторов, а именно на основе сочетания жидкого электролита и твердого полимера. Алюминиевые электролитические и алюминиевые полимерные конденсаторы имеют достаточно хорошую стабильность характеристик по отношению к прилагаемому напряжению смещения и температуры. Кроме того, алюминиевые полимерные конденсаторы отличаются очень хорошими параметрами по отношению к старению, которое не носит скачкообразного характера, приводящего к мгновенному отказу. Что касается керамических конденсаторов, доступная емкость которых за последнее время существенно возросла, то по сравнению с ними полимерные электролитические конденсаторы обладают одним весьма значительным преимуществом — сохранением величины емкости независимо от приложенного напряжения постоянного тока. В общем, использование полимерных конденсаторов становится все более привлекательным по мере увеличения отношения их емкости к стоимости.

Специальные подходы, использованные при разработке полимерных электролитических конденсаторов, и особенности процесса их изготовления могут быть полезны для значительного уменьшения влияния характерных для традиционных алюминиевых электролитических конденсаторов ряда паразитных эффектов, особенно это касается эквивалентной последовательной индуктивности (equivalent series inductance, ESL). Ее снижение означает, что такие конденсаторы могут работать на более высоких частотах и с высокими токами пульсаций. Низкое значение ESL также сказывается на повышении надежности и улучшает тепловые характеристики конденсатора. Эквивалентная схема конденсатора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема реального конденсатора:
ESL — эквивалентная последовательная индуктивность;
ESR — эквивалентное последовательное сопротивление;
R_ISO/R_LEAK — сопротивление тока утечки;
С — идеальный конденсатор емкостью С

Справедливости ради необходимо отметить, что полимерные электролитические конденсаторы по сравнению с обычными алюминиевыми электролитическими конденсаторами имеют большие токи утечки. Поэтому, как правило, они не пригодны для малогабаритной носимой аппаратуры с питанием от маломощных батарей с низкой емкостью.

Высокая надежность полимерных электролитических конденсаторов подтверждается значительно более продолжительным сроком их службы, полученным не только в ходе традиционных испытаний, но и с мест эксплуатации. Однако когда дело доходит до оборудования, подверженного в процессе работы ударам или значительной вибрации, в этом случае разработчику обязательно следует учитывать конкретные условия применения, поскольку для такой аппаратуры алюминиевые полимерные конденсаторы не всегда могут стать оптимальным выбором именно из-за стойкости к механическим воздействиям. Это обусловлено свойством твердого полимера, поскольку он в отличие от жидкого электролита не может поглощать и гасить вибрации. Здесь следует учитывать и то, что с точки зрения объема конденсатора для определенной мощности и напряжения обычные электролитические конденсаторы по-прежнему имеют преимущества и остаются вне конкуренции.

До сих пор в компании Würth Elektronik eiSos (далее — Würth) значения номинальной емкости алюминиевых полимерных конденсаторов, реализованных в самых разных конструктивных исполнениях, варьировались в пределах 10–2000 мкФ при диапазоне номинальных рабочих напряжений 6,3–100 В. Благодаря отличным электрическим характеристикам полимерных электролитических конденсаторов области их применения очень разнообразны: традиционные решения в виде резервного накопителя энергии, буферизация напряжения питания микросхем, блокировка или развязка сигнальных цепей, а также как составная часть фильтров для сглаживания пульсаций напряжения в импульсных DC/DC-преобразователях. В данной статье как раз и рассматривается использование алюминиевых полимерных конденсаторов в приложениях, требующих фильтрации помех и сглаживания пульсаций напряжения.

Понижающие преобразователи: базовый принцип построения

Для того чтобы максимально полно продемонстрировать положительный эффект от применения полимерных электролитических конденсаторов, рассмотрим этот вопрос на примере понижающего DC/DC-преобразователя. Его входное напряжение составляет 12 В, а выходное — 5 В. В качестве нагрузки используем активную чисто резистивную нагрузку 5 Ом, так что выходной ток нагрузки преобразователя будет равен 1 A. Эта экспериментальная схема послужит основой для оценки производительности полимерных электролитических конденсаторов по отношению к традиционным алюминиевым конденсаторам с жидким электролитом. Данная плата будет использована как для измерения характеристик электромагнитной совместимости (ЭМС) путем оценки дифференциальных кондуктивных электромагнитных помех, так и для измерения пульсаций выходного напряжения. Все измерения будут проводиться в одинаковых режимах, с помощью одной и той же нагрузки.

С точки зрения ЭМС понижающие преобразователи гораздо более критичны на стороне их входа. Это связано с прерывистым потреблением входного тока, основанным на быстрых переключениях ключей преобразователя, выполненных, как правило, на мощных МОП-транзисторах, поэтому по входу здесь крайне важно иметь эффективную фильтрацию. Поскольку мы остановили свой выбор на понижающей топологии, на выходе преобразователя уже есть LC-фильтр.
Он образован силовым дросселем и выходной емкостью, которая сглаживает импульсный ток, поступающий в дроссель с ключа высокой стороны двухтактного выходного каскада (рис. 2).

Рис. 2. Принцип работы понижающего DC/DC-преобразователя

На рис. 3 показана принципиальная схема понижающего DC/DC-преобразователя, выбранного для анализа поведения полимерных электролитических конденсаторов. Его схемное решение и общее конструктивное исполнение основаны на требованиях и рекомендациях, приведенных в спецификации (datasheet) на микросхему контроллера синхронного понижающего преобразователя LT8610 компании Analog Devices (ранее он выпускался под брендом Linear Technology, ныне эта компания приобретена Analog Devices). В схеме при выборе номинала для дросселя и конденсаторов использовались значения, указанные по умолчанию. Величины индуктивности катушки и емкостей входных и выходных конденсаторов были подтверждены данными, приведенными изготовителями в сопроводительной документации, и проверкой достаточности программным обеспечением, предназначенным для компьютерного моделирования преобразователя. Это особенно важно при использовании в выходной цепи лишь одного алюминиевого электролитического конденсатора. Из-за присущего ему достаточно высокого значения ESR стабильность работы регулятора оказалась нарушенной. Чтобы противодействовать негативному влиянию высокого ESR, в контур отрицательной обратной связи, стабилизирующей выходное напряжение, был добавлен конденсатор С8 емкостью 15 пФ. Эта дополнительная емкость обеспечивает стабильность даже при высоких значениях ESR выходного конденсатора.

Рис. 3. Понижающий DC/DC-преобразователь, схема электрическая принципиальная

На рис. 4 показана макетная плата понижающего преобразователя, приведенного на рис. 3. Для его воплощения использовалась двухсторонняя печатная плата, которая выполнена так, что каждый ее слой, верхний и нижний, имеет большие залитые медные области с подключением к общему проводу («земле»). Сама компоновка безусловно может быть улучшена с учетом тех или иных соображений. Прежде всего, для достижения лучшей фильтрации здесь требуется оптимизация подключения компонентов к общему проводу. При измерениях, оценивающих влияние выбора типа выходного конденсатора, будет видно, что высокая паразитная индуктивность вызывает пики (иголки) напряжения на выходном сигнале.

Рис. 4. Печатная плата понижающего DC/DC-преобразователя, использованная для оценки влияния типа выходного электролитического конденсатора

Влияние применения алюминиевого электролитического и алюминиевого полимерного конденсаторов во входной цепи на характеристики ЭМС понижающего преобразователя

Измерения уровня кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП) с целью оценки ЭМС проводились в экранированной камере с соответствующим подключением ее заземляющей поверхности (рис. 5). Сами измерения проводились в соответствии с методикой стандарта CISPR 32 (который заменяет CISPR 22 и 15) [6]. При испытаниях использовался измерительный приемник электромагнитных помех R&S ESRP3, а в качестве схемы стабилизации импеданса линии (Line Impedance Stabilisation Network, LISN) — двухпроводный V‑образный эквивалент сети питания, или ЭПСС, ENV216. Оба прибора компании Rohde & Schwarz.

Рис. 5. Схема и внешний вид испытательной установки для измерения уровня ЭМП в соответствии с требованиями стандарта CISPR 35

На первом этапе измерений на макете не использовались дополнительные входные фильтры, только в последнем измерении был применен Т‑фильтр, выполненный на базе расщепленной катушки индуктивности. Этот фильтр построен в соответствии с требованиями, указанными в спецификации на контроллер преобразователя. Для первого измерения в качестве входного конденсатора C1 (можно обратиться к REDEXPERT по ссылке: www.we-online.com/re/46R2lMfx) использовался алюминиевый электролитический конденсатор WCAP-ASLL 865 060 343 004 компании Würth. Электрические характеристики выбранного конденсатора: номинальная емкость 47 мкФ, номинальное рабочее напряжение 16 В, ESR 411 мОм, ESL 19 нГн. Результаты измерений показаны на рис. 6.

Рис. 6. Первоначальное измерение уровня ЭМП с алюминиевым электролитическим конденсатором в качестве входного конденсатора C1

По результатам измерений можно видеть, что предельные значения по CISPR 32 класса B явно превышены. Здесь имеются уровни шума до 100 дБмкВ! Но откуда берутся эти помехи, в чем их природа? Конденсатор, как реальный компонент, обладает паразитными эффектами, в частности, как уже было сказано, паразитной индуктивностью ESR, которая вместе с паразитными индуктивностями компоновки (индуктивность выводов и линий подключения) приводит к падению высокочастотного напряжения, что и было обнаружено путем измерения. Это схематически показано на рис. 7. В качестве первого подхода к достижению допустимых уровней выбросов и снижению помех ниже пределов можно использовать алюминиевый полимерный конденсатор. Электрические свойства по емкости и номинальному напряжению алюминиевого полимерного конденсатора такие же, как и у использованного в первом измерении традиционного алюминиевого электролитического конденсатора.

Рис. 7. Схематическое представление причины возникновения высокочастотных помех

Емкость нового конденсатора также эквивалентна емкости предыдущего — 47 мкФ, а его конструктивное исполнение соответствует тем же посадочным местам, то есть печатная плата макета не претерпела изменений. В качестве алюминиевого полимерного конденсатора использован конденсатор WCAP-PSLP 875 105 344 006 (можно обратиться к REDEXPERT по ссылке: www.we-online.com/re/48TxCoJe)  компании Würth, емкостью 47 мкФ и номинальным напряжением 16 В, но в силу своей технологии имеющий ESR 20,7 мОм и ESL 3,9 нГн. Благодаря крайне низким для алюминиевых электролитических конденсаторов значениям ESR и ESL в результате измерения спектра помех получена картина, представленная на рис. 8.

Рис. 8. Измерение уровня ЭМП с алюминиевым полимерным электролитическим конденсатором в качестве входного конденсатора C1

Очевидно, что благодаря изменению только одного компонента характеристики преобразователя в части ЭМС уже значительно улучшились. Падение напряжения на паразитных элементах, генерируемое напряжением основной (рабочей) частоты преобразователя и ее первой гармоникой, уменьшается, и следовательно, генерируется меньший уровень ЭМП. Однако в пределы для выполнения требований в части ЭМС уровень ЭМП преобразователя еще не вписывается, а значит, должны быть установлены дополнительные фильтры. Структура входного фильтра была, опять-таки, выбрана на основе информации, приведенной в спецификации на контроллер преобразователя. Такой фильтр имеет вносимые потери (в системе сопротивления источника сигнала и нагрузки 50 Ом), как показано на рис. 9.

Рис. 9. АЧХ входного фильтра, полученная методом компьютерного моделирования

Затем входной фильтр был перенесен на печатную плату и проведены повторные измерения. Результат измерений показан на рис. 10, где видно совместное влияние на уровень помех алюминиевого полимерного конденсатора и входного фильтра. Комбинация входного фильтра с полимерным конденсатором благодаря присущим ему низким значениям ESR и ESL позволяет значительно понизить уровни ЭМП ниже предела, предусмотренного по классу B, причем в достаточно широком диапазоне частот. Как можно видеть, значения менее 40 дБмкВ (усредненные и квазипиковые) здесь легко достижимы (по сравнению с этим вариантом первое измерение дало примерно 100 дБмкВ), а потому такое устройство может считаться соответствующим требованиям по ЭМС, установленным стандартом CISPR 32.

Рис. 10. Измерение уровня ЭМП с входным фильтром и алюминиевым полимерным электролитическим конденсатором в качестве основного входного конденсатора C1

Сравнение уровня пульсаций выходного напряжения при использовании алюминиевого электролитического и алюминиевого полимерного конденсаторов по выходу понижающего преобразователя

Для того чтобы поддерживать стабильность контура регулирования и, следовательно, стабильное выходное напряжение, на выходе понижающего DC/DC-преобразователя требуется конденсатор определенной емкости. Если по выходу будет установлен конденсатор недостаточной емкости, то наихудший сценарий развития событий заключается в том, что преобразователь больше не будет соответствовать заявленным требованиям, в частности по отклику при сбросе/набросе нагрузки. Это необходимо учитывать, особенно при работе с керамическими конденсаторами класса 2 (например, X7R и X5R), емкость которых зависит от уровня приложенного к ним напряжения смещения постоянного тока.

В данном разделе рассмотрим эффект, который оказывают пульсации выходного напряжения. Первое измерение, результат которого приведен на рис. 11, показывает уровень пульсации выходного напряжения импульсного понижающего DC/DC-преобразователя со стабилизацией выходного напряжения для случая, когда в нем по выходу установлен только один алюминиевый электролитический конденсатор. Использовался конденсатор WCAP-ASLL 865 060 343 004, тот же, что и ранее. Напомним, что его номинальная емкость равна 47 мкФ, номинальное напряжение 16 В. Конденсатор характеризуется ESR, равным 411 мОм, ESL составляет 19 нГн. Высокое значение ESR приводит к амплитуде пульсаций, равной 400 мВ. При выходном напряжении 5 В это означает, что пульсации выходного напряжения составляют 8% от номинального. Даже при наличии двух алюминиевых электролитических конденсаторов того же типа результирующее ESR составляет 205,5 мОм и, следовательно, по-прежнему остается излишне высоким. Другой аспект, которым не следует пренебрегать, — ток пульсации, проходящий через конденсатор. Он приводит к нагреву компонента, который влияет на надежность и при недопустимом уровне приводит к отказу конденсатора. Поэтому при проектировании, в случае применения алюминиевых электролитических конденсаторов, необходимо всегда оценивать уровень тока пульсации.

Рис. 11. Напряжение пульсации на выходе преобразователя в случае использования лишь одного алюминиевого электролитического конденсатора

В случае применения полимерных электролитических конденсаторов из-за присущего им низкого ESR нагрев компонента при том же токе пульсаций оказывается значительно ниже, так что он способен работать без перегрева на значительно больших токах. Сравнение ESR алюминиевого электролитического и полимерного электролитического конденсаторов приведено на рис. 12.

Рис. 12. Сравнение ESR алюминиевого электролитического и полимерного электролитического конденсаторов

Результаты измерения остаточной пульсации выходного напряжения с полимерным конденсатором в качестве выходного показано на рис. 13. Используемый уже знакомый нам алюминиевый полимерный конденсатор WCAP-PSLP 875 105 344 006 компании Würth имеет номинальную емкость 47 мкФ и номинальное рабочее напряжение 16 В. Конденсатор характеризуется ESR, равным 20,7 мОм, и ESL — 3,9 нГн.

Рис. 13. Напряжение пульсации на выходе понижающего DC/DC-преобразователя при использовании алюминиевого полимерного конденсатора на выходе понижающего DC/DC-преобразователя

Измерение напряжения пульсаций от пика до пика теперь показывает всего 35 мВ и, следовательно, находится в приемлемом диапазоне. Пики напряжения, представленные на рис. 13, вызваны паразитной индуктивностью и проявляются во время переключения с высокой скоростью нарастания и спада фронтов, что и характерно для импульсных преобразователей напряжения. В противном случае в них возрастают коммутационные потери и падает эффективность (КПД), а кроме того, возникают ограничения по длительности рабочего цикла. Поскольку в реальных приложениях никто не будет использовать одиночные алюминиевые полимерные электролиты, то параллельно с алюминиевым полимерным конденсатором рекомендуется разместить многослойный керамический конденсатор (multilayer ceramic capacitor, MLCC). Таким образом, паразитные эффекты могут быть сведены к минимуму и в результате мы получаем весьма чистый выходной сигнал, как это показано на рис. 14.

В качестве MLCC-конденсатора использовался керамический конденсатор номинальной емкостью 4,7 мкФ и номинальным рабочим напряжением 16 В, выполненный на основе диэлектрика X7R (можно обратиться к симулятору REDEXPERT по ссылке: www.we-online.com/re/46R0ibYPluS).  Если при этом будет оптимизирована еще и компоновка печатной платы, то ожидаемое пиковое значение пульсаций не превысит 20 мВ (рис. 14).

Рис. 14. Напряжение пульсации на выходе понижающего DC/DC-преобразователя при использовании алюминиевого полимерного конденсатора на выходе понижающего DC/DC-преобразователя совместно с керамическим многослойным конденсатором

Проблема надежности и прогнозирование срока службы

Срок службы электролитических конденсаторов очень важен для индустриальных приложений и для всех других сфер применения, где требуется длительный период эксплуатации аппаратуры. Здесь конденсатор не может использоваться как своего рода элемент, определяющий граничную точку надежности аппаратуры, или как элемент, имеющий запланированное устаревание (под англоязычным термином planned obsolescence скрывается маркетинговая стратегия, направленная на создание товаров, которые морально устаревают, прежде чем выходят из строя предопределенные элементы), что характерно для бытовой электроники. В этих приложениях конденсатор должен быть надежным компонентом с гарантированным длительным сроком эксплуатации.

Срок службы конденсатора зависит от многих факторов. Но одним из важнейших является температура или, вернее, тепловая нагрузка, поскольку она отвечает за то, что внутренние структуры подобного компонента со временем устаревают и их электрические свойства ухудшаются. Старение приводит к увеличению тока утечки, увеличению ESR, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение температуры, причиной которого становятся потери мощности, генерируемые на ESR. Если эти пределы не превышены и внутренняя температура компонента находится в более низком диапазоне, то возможны большие ожидаемые сроки его безотказной эксплуатации. Здесь мы приведем сравнение времени наработки на отказ для алюминиевых электролитических и алюминиевых полимерных конденсаторов в зависимости от их температурной нагрузки. Основаниями для этого будут служить две эмпирические формулы, вытекающие из теоремы Аррениуса, описывающей зависимость скорости химической реакции от температуры. Для полимерных электролитических конденсаторов, когда температура на компоненте уменьшается на 20 °C, срок службы увеличивается в 10 раз (1). А для электролитических конденсаторов с жидким электролитом в случае, когда температура на компоненте уменьшается на 10 °C, его ожидаемый срок службы удваивается (2). В приведенных ниже формулах: L_nom — срок службы при температуре T₀; T_a — фактическая температура.

Формула для алюминиевых полимерных конденсаторов:

Формула для алюминиевых электролитических конденсаторов:

Для того чтобы проиллюстрировать сказанное, в таблице 2 приведены рассчитанные значения времени безотказной работы для некоторых примерных значений температуры. Здесь для сравнения алюминиевых электролитических и алюминиевых полимерных конденсаторов используется максимальная допустимая температура компонента.

Таблица разделена на четыре столбца. Рабочая температура в формулах (1) и (2) задана как температура окружающей среды T_a. Данные по наработке при +105 °C, приведенные в двух столбцах для алюминиевого полимерного и алюминиевого электролитического конденсаторов, — это номинальный срок службы компонента L_nom. Он связан с максимальной температурой для компонента и определяется относительно нормальной температуры окружающей среды T₀, за которую принимается +25 °C. Наработка на отказ, приведенная в таблице, — расчетный показатель безотказной работы L_x, полученный с помощью формул (1) и (2). В колонке с алюминиевым полимерным конденсатором можно видеть расчетный срок службы, который при температуре окружающей среды +65 °C составляет 2000 тыс. ч. Это лишь теоретический срок службы конденсатора, равный 228 годам. Гарантировать такое на практике, естественно, невозможно. Типичный максимальный ожидаемый срок службы варьируется в зависимости от конкретного поставщика и находится в пределах 13–15 лет.

В представленной таблице можно ясно видеть, что при всех условиях окружающей среды алюминиевые полимерные конденсаторы имеют явное преимущество по сроку службы. Если указанная температура компонента для алюминиевых электролитических и алюминиевых полимерных конденсаторов одинакова (например, 2000 ч при +105 °C), то при +85 °C полимерный электролитический конденсатор имеет более длительный срок службы. Только в случаях алюминиевых электролитических конденсаторов с длительным сроком службы при максимальной заданной температуре компонент имеет более высокую точку пересечения, но точка пересечения будет всегда (рис. 15). Указанные часы на этой диаграмме всегда являются номинальным значением времени жизни компонента при этой температуре. Помимо указанного преимущества, конечно, следует сравнивать другие параметры конденсаторов. Возможно, в специальном приложении ожидаемый срок службы будет один и тот же, но часто решающее значение для приложения имеют именно лучшие показатели ESR и ESL, что говорит о преимуществе алюминиевых полимерных конденсаторов над традиционными электролитическими.

Рис. 15. Прогноз ожидаемого срока службы алюминиевых электролитических (Ал. эл.) и алюминиевых полимерных (Ал. полим.) конденсаторов

Заключение

Благодаря особенностям своей конструкции алюминиевые полимерные конденсаторы имеют ряд существенных преимуществ для электронных приложений. Низкие значения ESR и ESL в дополнение к очень высокому ожидаемому сроку службы делают эту технологию чрезвычайно интересной для самых разнообразных областей. Однако их применение должно осуществляться согласно указаниям, приведенным в их спецификациях, а также в соответствии с информацией, имеющейся в руководящих материалах типа Application Note, в том числе и представленной в настоящем переводе документа ANP071 от компании Würth Elektronik eiSos [7, 8, 9]. Такой подход может улучшить поведение итоговой конструкции разрабатываемого продукта и повысить производительность конечного приложения в целом.