CPU, ASIC, FPGA 및 USB를 효과적으로 구동하기 위해 폴리머 알루미늄 커패시터를 사용하는 이유 및 방법

IC, 응용 제품별 IC(ASIC), 중앙 처리 장치(CPU), 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA)를 비롯한 전자 시스템 및 서브 시스템과 USB 전력을 위한 전력 공급 솔루션 설계자는 콤팩트 폼 팩터의 폭넓은 온도 범위에서 안정적이고 잡음 없는 전력을 보장하면서 효율성을 개선할 수 있는 방법을 지속적으로 찾고 있습니다. 또한 효율성, 안정성 및 신뢰성을 개선하고, 비용을 절감하고, 솔루션 폼 팩터를 축소해야 합니다. 동시에 전원 공급 장치 회로 입력 전류와 출력 전류의 평활화, 피크 전력 수요 지원, 전압 변동 억제를 비롯하여 지속적으로 증가하는 응용 제품에 대한 전력 성능 요구 사항을 충족해야 합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 고주파에서 등가 직렬 저항(ESR)과 임피던스가 낮아서 리플 흡수를 지원하고 부드럽고 빠른 과도 응답을 보장하는 커패시터가 필요합니다. 또한 작동 신뢰성과 공급망 신뢰성이 모두 중요합니다.

문제점과 옵션을 살펴보면 폴리머 알루미늄 전해 커패시터가 높은 전기적 성능, 안정성, 낮은 잡음, 신뢰성, 콤팩트 폼 팩터, 분쟁 자원을 사용하지 않는 데 따른 낮은 공급망 위험을 포괄하는 우수한 솔루션으로 등장했습니다. 이 커패시터는 고주파(최대 500kHz)에서 낮은 ESR(일반적으로 mΩ 단위로 측정됨)과 낮은 임피던스를 결합하여 전력선에서 우수한 잡음 억제, 리플 흡수 및 감결합 성능을 제공합니다. 또한 높은 작동 주파수와 온도에서 정전 용량이 안정적입니다.

이 기사에서는 폴리머 알루미늄 전해 커패시터의 작동 방식과 제조 방법을 간략하게 설명합니다. 그리고 이러한 커패시터의 성능을 대체 커패시터 기술과 비교한 후 폴리머 알루미늄 전해 커패시터의 구체적인 응용 분야를 살펴봅니다. 마지막으로 Murata의 대표적인 장치와 설계자가 이 커패시터를 사용할 때 알아야 할 고려 사항을 검토합니다.

폴리머 알루미늄 커패시터 제조 방법

폴리머 알루미늄 커패시터에는 에칭된 알루미늄 호일 음극, 알루미늄 산화 필름 유전체, 전도성 폴리머 음극이 있습니다(그림 1). 장치에 따라 이 커패시터는 6.8µF ~ 470µF의 정전 용량에서 사용 가능하며 2Vdc ~ 25Vdc 전압 범위를 포함합니다.

그림 1: 에칭된 알루미늄 호일 양극(왼쪽), 알루미늄 산화 필름 유전체(가운데) 및 전도성 폴리머 음극(오른쪽) 사이의 관계를 보여주는 폴리머 알루미늄 전해 커패시터 모델 (이미지 출처: Murata)

Murata의 ECAS 계열 장치에서 에칭된 알루미늄 호일은 양극에 직접 연결되고, 전도성 폴리머는 탄소 페이스트로 덮여 있으며 전도성 실버 페이스트를 사용하여 음극에 연결됩니다(그림 2). 기계적인 강도와 환경 보호를 위해 전체 구조가 성형 에폭시 수지 안에 들어 있습니다. 이에 따른 높이가 낮은 표면 실장 패키지는 무할로겐 수분 민감도 레벨(MSL) 3등급입니다. 알루미늄 호일과 산화 필름의 다층 (라미네이트) 구조는 Murata의 ECAS 계열을 일반 알루미늄 전해 커패시터와 차별화합니다(예: 폴리머 또는 전해질을 음극으로 사용할 수 있는 캔형 권선 구조).

그림 2: 전도성 폴리머(분홍색), 에칭된 알루미늄 호일(흰색), 알루미늄(Al) 산화 필름(파란색), 전도성 폴리머를 음극과 에폭시 수지 케이스에 연결하는 탄소 페이스트(갈색) 및 실버 페이스트(진회색)를 보여주는 ECAS 계열 폴리머 알루미늄 커패시터 장치 구조 (이미지 출처: Murata)

ECAS 커패시터에서 라미네이트 구조와 자재 선택을 조합하여 전해 커패시터에 사용 가능한 ESR을 최소화할 수 있습니다. ECAS 계열 폴리머 알루미늄 커패시터는 폴리머 탄탈룸(Ta) 커패시터, Ta 이산화망간(MnO₂) 커패시터 및 다층 세라믹 커패시터(MLCC)와 비슷한 정전 용량을 제공하고, MLCC와 유사하고 폴리머 또는 MnO₂ Ta 커패시터보다 작은 ESR을 제공합니다(그림 3).

그림 3: 폴리머 알루미늄 커패시터(ECAS 계열)는 MLCC에 비해 정전 용량 값은 더 높고 ESR은 비슷하며, 탄탈룸 및 캔형 알루미늄 커패시터와 유사한 정전 용량에서 더 낮은 ESR을 제공합니다. (이미지 출처: Murata)

비용에 민감한 응용 분야에서 알루미늄 전해 커패시터 및 Ta(MnO₂) 커패시터는 상대적으로 경제적인 솔루션을 제공할 수 있습니다. 기존 알루미늄 또는 탄탈룸 전해 커패시터는 전해질 또는 이산화망간(MnO₂)을 음극으로 사용합니다. ECAS 커패시터에서는 전도성 폴리머 음극을 사용하여 낮은 ESR, 안정적인 열 특성, 향상된 안전, 긴 사용 수명을 제공합니다(그림 4). 상대적으로 경제적인 MLCC는 다른 커패시터 기술에서는 발견되지 않는 DC 바이어스 특성을 나타냅니다.

그림 4: 폴리머 알루미늄 커패시터는 기본 조합으로 낮은 ESR, DC 바이어스 특성, 온도 특성, 사용 수명 및 신뢰성을 제공합니다. (이미지 출처: Murata)

DC 바이어스 특성은 인가된 DC 전압에서 MLCC의 정전 용량 변경을 참조합니다. 인가된 DC 전압이 증가하면 MLCC의 유효 정전 용량이 감소합니다. DC 바이어스가 몇 볼트 증가할 경우 MLCC가 공칭 정전 용량 값의 40% ~ 80% 손실되어 많은 전력 관리 응용 분야에 적합하지 않을 수 있습니다.

폴리머 알루미늄 전해 커패시터의 성능 특성으로 인해 MLCC는 CPU, ASIC, FPGA 및 기타 대형 IC용 전원 공급 장치를 비롯한 전력 관리 응용 분야와 USB 전력 시스템의 피크 전력 요구 사항 지원에 적합합니다(그림 5).

그림 5: 예제 1(위쪽): 대상 응용 분야에서 리플을 제거하고 전원을 평활화 및 안정화하기 위해 사용되는 전력 관리 회로의 폴리머 알루미늄 커패시터 예제 2(아래쪽): 폴리머 알루미늄 커패시터는 USB 전력 시스템의 피크 전력 요구 사항을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Murata)

폴리머 알루미늄 커패시터는 ESR과 임피던스가 낮고 정전 용량이 안정적이므로, 특히 전류 부하 변동이 큰 전력선에서 리플을 평활화 및 제거하는 등과 같은 응용 분야에 적합합니다. 이러한 응용 분야에서 폴리머 알루미늄 커패시터는 MLCC와 함께 사용될 수 있습니다.

폴리머 알루미늄 커패시터는 전력 관리 기능을 제공하고, MLCC는 IC의 전력 핀에서 고주파 잡음을 필터링합니다. 또한 폴리머 알루미늄 커패시터는 작은 PC 기판 실장 면적을 유지하면서 USB 전력 시스템의 피크 전력 요구 사항을 지원할 수 있습니다.

폴리머 알루미늄 커패시터

ECAS 폴리머 알루미늄 커패시터는 등급에 따라 네 가지 EIA 7343 미터법 케이스 크기(D3: 7.3mm x 4.3mm x 1.4mm 높이, D4: 7.3mm x 4.3mm x 1.9mm 높이, D6: 7.3mm x 4.3mm x 2.8mm 높이, D9: 7.3mm x 4.3mm x 4.2mm 높이)에, DigiReel, 컷 테이프, 테이프 및 릴 형식으로 제공됩니다(그림 6). 기타 사양은 다음과 같습니다.

• 정전 용량 범위: 6.8µF ~ 470μF
• 정전 용량 허용 오차: ±20% 및 +10%/-35%
• 정격 전압: 2Vdc ~ 16Vdc
• ESR: 6mΩ ~ 70mΩ
• 작동 온도: -40°C ~ +105°C

그림 6: ECAS 폴리머 알루미늄 커패시터는 DigiReel, 컷 테이프, 테이프 및 릴 형식에, D3, D4, D6 및 D9 케이스 크기로 제공됩니다. (이미지 출처: Murata)

Murata는 최근에 330µF(±20%), 6.3V 장치(예: D4 케이스 크기에 ESR이 9mΩ인 ECASD60J337M009KA0)를 포함하도록 ECAS 제품군을 확장했습니다. 정전 용량 값을 높여서 리플 평활화를 개선하고 필요한 커패시터 수를 줄임으로써 전체 솔루션 크기를 줄였습니다.

예를 들어, 300kHz에서 DC-DC 컨버터 스위치의 출력을 필터링하는 데 사용될 경우 ECASD40D337M006KA0 330µF(±20%), 2V 폴리머 알루미늄 커패시터(ESR 6mΩ)는 13mV 피크 간(mVp-p) 리플 전압을 생성하는 데 비해, 알루미늄 폴리머 커패시터(ESR 15mΩ)는 36mVp-p 리플 전압을 생성하고, 알루미늄 전해 커패시터(ESR 900mΩ)는 950mVp-p 리플 전압을 생성합니다.

ECAS 커패시터의 다른 예로는 ECASD40D157M009K00(150µF(±20%) 및 2Vdc 등급, ESR 9mΩ, D4 케이스) 및 ECASD41C686M040KH0(68µF(±20%) 및 16Vdc 등급, ESR 40mΩ, D4 케이스)이 있습니다. ECAS 폴리머 알루미늄 커패시터의 특징은 다음과 같습니다.

• 고정전 용량, 저 ESR
• 인가된 DC 전압/온도/높은 주파수와 안정된 정전 용량
• 뛰어난 리플 흡수, 평활화, 과도 응답
• 전압 강하가 필요하지 않음
• 세라믹 커패시터에서 생성되는 음향 잡음 제거(압전 효과)
• 제품에 명시된 극성 막대(양극)
• 표면 실장 구조
• RoHS 준수
• 무할로겐
• MSL 3 포장

설계 고려 사항

ECAS 폴리머 알루미늄 전해 커패시터는 전력 관리 응용 분야에 사용하도록 최적화되었으며, 시간 상수 회로, 커플링 회로 또는 누설 전류에 민감한 회로에는 사용하지 않는 것이 좋습니다. ECAS 커패시터는 직렬로 연결하도록 설계되지 않았습니다. 기타 설계 고려 사항:

• 극성: 폴리머 알루미늄 전해 커패시터는 극성이 있으므로 올바른 극성에 연결해야 합니다. 역전압에 잠시라도 연결될 경우 산화 필름이 손상되어 커패시터의 성능이 저하될 수 있습니다.
• 작동 전압: 이 커패시터를 AC 또는 리플 전류 회로에 사용할 경우 DC 바이어스를 포함하여 피크 간 전압(Vp-p) 또는 피크에 대한 오프셋 전압(Vo-p)이 정격 전압 범위 내에서 유지되어야 합니다. 과도 전압이 발생할 수 있는 스위치 회로에서는 정격 전압이 과도 피크를 포함하도록 충분히 높아야 합니다.
• 유입 전류: 20A를 초과하는 유입 전류가 예상될 경우 20A에서 피크 유입을 유지하도록 유입 전류를 추가적으로 제한해야 합니다.
• 리플 전류: ECAS 계열 모델마다 초과해서는 안 되는 특정 리플 전류 정격이 있습니다. 과도한 리플 전류는 열을 발생하여 커패시터가 손상될 수 있습니다.
• 작동 온도:
  • 커패시터의 정격 온도를 결정할 때 설계자는 장비 내부 온도 분포, 계절별 온도 요인을 비롯하여 응용 제품의 작동 온도를 고려해야 합니다.
  • 리플 전류와 같은 특정 응용 요소로 인한 커패시터의 자체 발열을 포함하여 커패시터의 표면 온도가 작동 온도 범위 내에서 유지되어야 합니다.

결론

특히, MCU, ASIC, FPGA와 같은 대형 IC를 공급하고 USB 응용 제품의 피크 전력 요구 사항을 지원할 때 전력 공급 시스템 설계자가 효율성, 성능, 비용, 안정성, 신뢰성 및 폼 팩터를 최적의 상태로 균형 조정하는 데 어려움이 있습니다. 커패시터는 전원 공급 장치 신호 체인의 주요 부품 중 하나이며, 이러한 장치는 올바른 기술을 사용할 경우 설계자의 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되는 많은 특성이 있습니다.

살펴본 바와 같이 폴리머 알루미늄 커패시터는 설계자가 올바른 균형을 찾는 데 도움이 됩니다. 구조상 최대 500kHz 주파수에서 낮은 임피던스, 낮은 ESR, 우수한 리플 평활화, 전력선에서 우수한 잡음 억제 및 감결합 성능을 제공합니다. 또한 DC 바이어스 제한이 없고 자체 복구되므로 작동 신뢰성이 향상됩니다. 또한 분쟁 자재를 사용하지 않으므로 공급망 신뢰성이 향상됩니다. 총칭하여 폴리머 알루미늄 커패시터는 설계자에게 전력 관리 시스템의 포괄적인 요구 사항을 해결할 수 있는 우수한 성능 옵션을 제공합니다.

추천 자료:

1. 기본 사항: 커패시터 유형의 특성을 이해하여 커패시터를 적절하고 안전하게 사용