merkmale & applikationen polymer … · das rauschen eines mlcc beginnt ab 1khz dramatisch...
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MERKMALE & APPLIKATIONEN POLYMER DÜNNSCHICHT KONDENSATOR “PML CAP”
PML CAP
Der Polymer Multi-Layer Kondensator (PML CAP) ist ein SMD Kondensator mit einer großen
Anzahl von Metalldampf-Polymer Lagen welche durch Metallablagerungen am Polymerfilm
miteinander verbunden werden.
Der PML CAP wurde basierend auf Rubycons patentierter Vakuum Technologie entwickelt und
ermöglicht eine drastische Miniaturisierung im Vergleich zu herkömmlichen Filmkondensatoren.
MERKMALE
Aufbau und Ersatzschaltbild
Die primäre Ansicht und Konstruktion des PML CAP sind in den Bild 1 und Fig. 1 dargestellt.
Das Äquivalent Ersatzschaltbild ist in Fig. 2 dargestellt wobei “Rd” und “Cd” die
dielektrische Absorption darstellen welche in den meisten Applikationen vernachlässigt
werden kann.
(a) Größe: 5750 (b) Größe: 4532 (c) Größe: 3225
Foto 1 Ansicht PML CAP (Einheit: mm)
Externer Anschluss Laminat Lagen Externer Anschluss
Dielektrikum: ausgehärtetes Harz
Interne Elektrode: aufgedampftes Aluminium
Bild 1 Aufbau des PML CAP
Bild 2 elektrisches Ersatzschaltbild
Aufgrund der dünnen Filmschicht welche durch eine spezielle Vakuumtechnologie ermöglicht
wird ist die Größe des PML CAP um einen Faktor 10 kleiner als herkömmliche
Filmkondensatoren.
Elektrische Spezifikation
Die Spezifikation des PML CAP ist der Tabelle 1, der Vergleich mit anderen SMD
Kondensator Technologien Tabelle 2 zu entnehmen.
Die elektrischen Eigenschaften entsprechen denen von Polyester Filmkondensatoren.
Der PML CAP weist zahlreiche Vorteile gegenüber Multi-Layer Keramik Kondensatoren
(MLCC) auf, wie z.B. geringes Rauschen, geringere dielektrische Verluste und kein DC-Bias
da PMLCAP keinerlei piezoelektrische Effekte aufweist.
Tabelle 1 Spezifikation des PML CAP
Wert Spezifikation
Kapazitätstoleranz ±20% (M)
Verlustfaktor (tan δ) ≤1.5%
Spannung Überspannungserlaubnis bis zu 150% der
Nennspannung für 1 Minute, bzw. max. 175% bei
einer Dauer von 1 bis 5 Sekunden.
Isolationswiderstand 300MΩ・µF
LESL: Äquivalente Serieninduktivität
RESR: Äquivalenter Serienwiderstand
Rp: Isolationswiderstand
Rd: Dielektrische Absorption
Cd: Dielektrische Absorption
C: Kapazität
Vernachlässigbar
Für die meisten Applikationen irrelevant
Tabelle 2 Vergleichstabelle PML CAP vs. SMD Kondensatoren
Kondensator PML CAP Film Multi-Layer Keramik
MLCC
Dielektrikum UV gehärtetes Harz
(Acryl)
Harz Film
(PEN, PPS)
Keramik mit hoher
Dielektrizitätskonstante
(BaTiO3)
Dicke des
Dielektrikums
<1µm/Lage ≥3 µm/Lage <1µm/Lage
Dielektrische
Konstante
~ 3 ~ 3 2,000 – 5,000
Interne Elektrode Aufgetragenes Al Aufgetragenes Al Nickel Paste
Nennspannung 16 – 63VDC 10 – 250VDC 2.5 – 3,150VDC
Kapazität 0.1 – 22µF 0.001 – 1 µF 68p – 100 µF
Temperaturbereich -55 – +125°C -55 – +125°C -55 – +150°C
(X8R)
Größe Mittel Groß Klein
Merkmale Geringstes Rauschen und exzellente DC Bias Charakteristik (keine piezoelektrischen Effekte)
Geringeres Rauschen als MLCC und exzellente DC Bias Charakteristik (keine piezoelektrischen Effekte)
Schlechte DC Bias Eigenschaften aufgrund piezoelektrischer Effekte.
Temperaturbeständigkeit
PML CAP verwendet ein spezielles Harz als Dielektrikum welches erst ab über 300°C
thermisches Gewicht verliert und dadurch extreme geeignet für hohe Temperaturen ist.
ELEKTRISCHE SPEZIFKATION
Die elektrische Charakteristik des PML CAP im Vergleich mit Keramikkondensatoren
Impedanz – Frequenz Verhalten
Bild 3 zeigt das Verhalten von Impedanz und elektrischem Serienwiderstand (ESR) über der
Frequenz
Frequenz / kHz
Bild 3 Impedanz/ESR über Frequenz
PML CAP hat sehr kleine ESR sowie ESL Werte und ist damit mit MLCCs vergleichbar.
DC-Bias Charakteristik
DC-Bias ist wichtig für Durchführungs- sowie Koppelkondensatoren.
Bild 4 zeigt dass PML CAP keine von DC-Spannung abhängige Kapazitätsänderung
aufweisen da es keinerlei piezoelektrische Effekte gibt. Dies ist ein wesentlicher Unterschied
und Vorteil gegenüber MLCCs.
Beispiel: Ein MLCC mit 50V Nennspannung ist zwar, bei gleicher Kapazität, im kleineren
Gehäuse als ein PMLCAP verfügbar, aber um bei z.B. 25V mit der gleichen Kapazität wie der
eines PMLCAP zu arbeiten müsste man einen entsprechenden MLCC in größerer Bauform
wählen.
Bild 4 Kapazität vs. DC Bias Spannung
Temperatur Charakteristik
Das Temperaturverhalten welches für Eingangs- und Filterkondensatoren wichtig ist wird in
Bild 5 von -55°C bis +125°C dargestellt.
Imp
eda
nce
or
ES
R /
Ω
Bild 5 Kapazität über Temperatur
Rauschunterdrückung
Die Rauschcharakteristik, z.B. essentiell für viele geräuschempfindliche Anwendungen (z.B.
Audio, …) ist in Bild 6 (a) & Bild 6 (b) dargestellt. Gezeigt wird das Rauschen bei 1.4kHz und
3Vpeak. Der Unterschied zwischen PML CAP und MLCC beträgt -20dB, was wiederum
bedeutet dass der PML CAP eine um das 10-fache bessere Performance als MLCCs aufweist.
Bild 6 (b) zeigt das Rauschverhalten wenn der Kondensator in der Anwendung einer LCD
Hintergrundbeleuchtung verwendet wird. Das Rauschen eines MLCC beginnt ab 1kHz
dramatisch aufgrund des piezoelektrischen Effekts anzusteigen. Das Rauschen der PML
CAPs ist eindeutig niedriger und speziell bei höheren, von Menschen hörbaren Frequenzen,
im Bereich von 1kHz bis 10kHz ist diese Performance wünschenswert.
Bild 6 (a) Rauschen bei 1.4kHz und 3Vp
Frequenz / kHz
Bild 6 (b) Rauschverhalten bei LCD Hintergrundbeleuchtungs-Anwendungen
Dielektrische Absorption
Dielektrische Absorption entsteht durch verlangsamte Polarisierung des Dielektrikums.
Bild 7 zeigt die dielektrische Absorption im Vergleich PML CAP zu MLCC. Die dargestellten
Werte entsprechen den größten Messwerten, unabhängig von der Zeit, wobei der JIS
Standard eine Messung nach 5 Minuten definiert.
Bild 7 Dielektrische Absorption
Die dielektrische Absorption des PML CAP entspricht dem Verhalten nach Polyester
Filmkondensatoren wobei diese Technologie den der MLCCs überlegen sind.
Ohne Berücksichtigung der Baugröße weisen einzig PP Filmkondensatoren ein etwas
besseres Verhalten auf. Allerdings bietet einzig der PML CAP gleichzeitig eine
miniaturisierte Bauform an.
Sou
nd
Pre
ssu
re L
evel
/ d
B
Die
lect
ric
Ab
sorp
tion
/ %
High-permittivity (X7R)
Ideal for loop filter due to less dielectric absorption
PML CAP hat geringstes Rauschen im mittleren F-Bereich.
Selbstheilung
Im Falle einer Überspannung am PML CAP wird die Isolierung durch einen
Selbstheilungsprozess automatisch wiederhergestellt. Dies geschieht durch Hitze aufgrund
von verstärkten Stromflusses und folgende Oxydation, Wiederherstellung der Metallschicht.
Die Eignung zur Selbstheilung ist höher bei Kondensatoren desto geringer der aufgetragene
Film und desto höher der Ablagerungswiderstand ist. Dies macht den PMLCAP zu einem
extrem sicheren Produkt.
Foto 2 zeigt das Ergebnis der Selbstheilung eines PML CAP nach einem herbeigeführten
internen Kurzschluss. Foto 2 (a) zeigt die Impulsverlaufsform (186Vpeak für 1ms). Foto 2 (b)
stellt den Spannungsverlauf zwischen den beiden PMLCAP Terminals dar, wobei der Impuls
über einen 2Ω zugeführt wird. Dabei kann der Selbstheileffekt beobachtet werden.
Nach einem Kurzschluss sollte der Kondensator dennoch alsbald ersetzt werden da der
Isolationswiderstand nach der Selbstheilung kleiner als der Originalwert ist.
(a) Pulsform (b) Selbstheilungseffekt
Foto 2 Selbstheilungen nach Überspannungsimpuls
Wechselstrombelastbarkeit
Bild 8 zeigt Beispiele vom zugelassenen Rippelstrom für PMLCAPs
Bild 8 zugelassener Wechselstrom des PML CAP
Breakdown
Selbstheilung
Charakteristik des niedrigen Leckstroms
Das von PMLCAP verwendetet Dünnschicht Plastikfilm Dielektrikum weist im Vergleich zu
sämtlichen anderen Technologien extrem niedrige Leckströme auf. Siehe Vergleich Bild 9
(16v 22uF)
Bild 9 Vergleich Leckstrom
TYPISCHE APPLIKATIONEN
Typische Applikationen für den PML CAP umfassen akustische Anwendungen zur
Verwirklichung von höchster musikalischen Qualität, Durchführungskondensatoren für
Stromversorgungen, Anwendungen mit Bedarf an Rauschunterdrückung sowie PLL (Phase
Lock Loop) aufgrund der geringen dielektrischen Absorption sowie für
Energiespeichersysteme aufgrund des niedrigen Leckstroms.
Audio Anwendungen
Bild 10 zeigt ein Beispiel eines Class-D Verstärkers. Der PML CAP wird hierbei als
DC-Koppelkondensator und im Ausgangsfilter eingesetzt. Die Qualität der Musikwiedergabe
speziell im mittleren und hohen Frequenzbereich wird dadurch deutlich verbessert. Die
Verwendung des PML CAP im Ausgangsfilter hilft die Filtereigenschaften zu stabilisieren da
die Kapazitätsänderung sehr gering ausfällt.
Bild 10 Applikationsbeispiel: Class D Verstärker
Die Ergebnisse von THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise) wurden mit einem gängigen
Class-D Verstärker gemessen und sind in Bild 11 dargestellt.
Der PML CAP 35V 1µF (3.2x2.5x1.4mm) sowie MLCC 50V 1 µF (X7R, 3.2x2.5x1.8mm)
wurden alternativ zum originalen PP Filmkondensator (630V 0.47µF, 17.5x18.0x9.0mm) für
diese Messungen eingebaut.
Eingangssignal Class D Verstärker
Verbesserter Sound mit PMLCAP am
Eingang
PMLCAP im Ausgangsfilter verbessert die Filter Performance
Bild 11 (c) THD+N eines MLCC
Die Ergebnisse belegen dass PML CAPs mit Filmkondensatoren vergleichbar und deutlich
besser als MLCCs arbeiten.
Treiber für LED Hintergrundbeleuchtung
Aufgrund des Dünnfilm-Dielektrikums des PML CAP und der nicht vorhandenen
piezoelektrischen Effekte erreicht der PMLCAP eine extreme Rauschunterdrückung im
Vergleich zu MLCCs. Diese Eigenschaft ist ideal für Durchführungskondensatoren von
Stromversorgungen mit hoher Wechselstrombelastbarkeit geeignet.
Bild 12 zeigt PML CAPs in einem DC-DC Konverter für LED Hintergrundbeleuchtungen
Da diese Anwendungen PWM (Pulse Weiten Modulation) im hörbaren Frequenzbereich
verwenden, erzeugen MLCC ein unangenehmes, ungewünschtes Rauschen welches es zu
vermeiden gilt.
Bild 12 zeigt einen Boost Konverter wobei der PML CAP als Durchführungskondensator für
den Eingang und Ausgang verwendet wird.
Bild 12 Treiber für eine LED Hintergrundbeleuchtung (Ein- Ausgangskondensator)
Filter für PLL (Phasenregelkreis)
Bild13 zeigt eine typische PLL Applikation. Der PML CAP reduziert die “Lockup Time”
(Frequenz Wechselzeit) drastisch aufgrund der niedrigen dielektrischen Absorption im
Vergleich zu MLCCs.
Bild 13 PLL Synthesizer
Rauschunterdrückung Am Ein- und Ausgang
LED Treiber (Booster)
Temperature Kompensation Keramik Kondensator
Reduktion der Einrast-Zeit (Lock-Up)
durch PMLCAP
Datum Eingang Frequenz
Ausgang
Divider
Phase Comparator
Spannungs regler
Oscillator
Energie Speicherung
PMLCAP besticht durch extreme niedrige Leckströme, kleine Bauformen sowie größerer
Kapazität im Vergleich zu konventionellen Film Kondensatoren.
Aufgrund dieser Performance ist der PMLCAP ideal geeignet für Energy-Harvesting
Anwendungen welche bereits die geringsten Mengen an Energien speichern um keine Energie
ungenutzt zu lassen (Fig. 14)
Fig. 14 Energy Harvesting System
Dieses Dokument wurde modifiziert und entspricht dem Artikel aus Transistor Technology Vol. 8,
2010 (CQ Publishing Co., Ltd.)