"Высококачественные полимерные конденсаторы
японского производства" -  решение проблемы?

на страницах сайта

www.electrosad.ru

CONDUCTIVE POLYMER ALUMINUM SOLID ELECTROLYTIC CAPACITORS

 

В  статье "Высококачественные полимерные конденсаторы японского производства" опубликованной на сайте почти год назад, я рассказал о лучшем из полимерных конденсаторах производства компании nichicon. Прошел год, что изменилось и так ли хороши оказались новые конденсаторы? Рассмотрим это не отрываясь от их основной области применения.

 
 

В серии статей на сайте я рассказывал о решении проблемы фильтров питания процессоров, как одной из разновидностей фильтров импульсных источников питания работающих на динамическую нагрузку и условия работы оксидных конденсаторов в таких цепях. Приношу извинения за возможное повторение того о чем говорил в других статьях.

Есть два пути решения проблем таких цепей.

Один - создание оксидных конденсаторов со все меньшими и меньшими ESR и ESL по которому идут большинство производителей оборудования для ПК. Это достаточно трудный путь, особенно сейчас, когда эти параметры приблизились к конструктивному минимуму. Применение таких конденсаторов позволяет улучшить работу импульсных блоков питания.

Другой - расчет и проектирование оптимизированных цепей, где функции фильтрации обеспечиваются группой элементов, в которой каждый элемент решает свою узкую задачу. Причем задачи решаются с помощью серийно выпускаемых конденсаторов. Некоторые приемы этого подхода используются AMD и Intel. Этот путь описан, насколько это можно, в статьях приведенных в списке литературы [Л.1, 4, 10]. Данный подход позволяет решить проблемы и блоков питания и нагрузки одновременно.

Здесь рассмотрим первый путь.

 

Попробуем оценить насколько продвинули производители полимерных оксидных конденсаторов их характеристики.

Где предел?

Есть ли он?

Частотные свойства диэлектриков имеют свои ограничения, связанные в первую очередь со свойствами молекул диэлектрика и существенного их улучшения пока не предвидится. И лучше  полимерных оксидных конденсаторов пока нет.

Читая различные публикации и обсуждения в форумах понимаю, что кроме того что это конденсаторы которые получше других, никто не лезет. Без внимания оставлены отличия характеристик алюминиевых электролитических конденсаторов с диэлектриком из твердого полимера (CONDUCTIVE POLYMER ALUMINUM SOLID ELECTROLYTIC CAPACITORS или в просторечии "полимерные конденсаторы"). Это особенно интересно посмотреть в сравнении с другими видами конденсаторов.

Сравним свойства нескольких типов конденсаторов. Это керамические конденсаторы как образец наиболее широкополосных конденсаторов. Оксидные конденсаторы OSCON и "полимерные конденсаторы" NPCAP.

 

Параметр Керамические конденсаторы оксидные конденсаторы
OS-CON
алюминиевые электролитические конденсаторы
с твердым диэлектриком NPCAP
ВЧ Обычные
Внешний
вид
Кликните по картинке для просмотра
частотные характерис-
тики
Z

Кликните по картинке для просмотра
Рис. 1.

Кликните по картинке для просмотра
Рис. 2

Кликните по картинке для просмотра
Рис.3

Кликните по картинке для просмотра
Рис.4
Минимальное
ESR
(mOm)
>4 >12 >7 >7-12
tgδ 0,01 - 0,025 0,14 0,06 - 0,1 0,06 - 0,1

Таблица 1.

 

Начнем рассмотрение с керамических конденсаторов

С точки зрения ESL минимальные значения получены на малоиндуктивных керамических конденсаторах. Пока это конструктивный минимум. Это наиболее высокочастотные конденсаторы. Это определяется применяемой керамикой, способной работать на ВЧ, и малой индуктивностью (ESL) специальных конструкций керамических конденсаторов.

У приведенных на Рис.1 моделей керамических конденсаторов рабочая область частот ограничена частотами находящимися ниже частоты минимума импеданса. На более высоких частотах конденсатор приобретает индуктивные свойства (работает ESL), величина этой индуктивности (ESL) определяется его конструкцией. На реальные характеристики конденсатора включенного в цепь существенное влияние оказывает и параметры самой цепи к которой он подключен.

Рисунок 5.

Для примера, на рисунке 5, показано влияние длины выводов на частотную характеристику конденсатора 0,1 мкф. Максимальная рабочая частота у конденсатора в SMD исполнении (около 11 МГц). Аналогичное влияние на характеристики керамических конденсаторов оказывает и индуктивность цепей к которым эти конденсаторы подключены.

Исходя из известной формулы последовательного резонанса:

 

f = 1/2π(LsC)1/2 [Ф.1]

 

понятно, что на предельную рабочую частоту влияют как ESL (Ls), так и сама величина емкости C конденсатора.

Именно поэтому конденсаторы меньшей емкости имеют более высокую предельную (рабочую) частоту.

 

Рисунок 6.

 

Из рис. 6 видим, что предельная рабочая частота керамического конденсатора одинаковой конструкции но разной емкости, характеристики которого приведены на рис. 5,  повысилась с примерно 11 МГц до 110 МГц при снижении его емкости до 0,001 мкф.

ESR керамических конденсаторов достигло 4 mOm и похоже приблизилось к минимуму.

Поэтому керамические конденсаторы пока самые высокочастотные.

Изготовленные из специальной керамики они работают на частотах до 40 ГГц. При этом затухания в конденсаторе на этих частотах менее 1 дб.

 

Оксидные конденсаторы OSCON с пониженным ESR

При их появлении, инверторы безтрансформаторных источников питания работали на частотах порядка 70 КГц и время переключения их транзисторов инвертора составляло  порядка 1 мкс. Для работы в таких инверторах применяли оксидные конденсаторы с низким ESR (порядка 30 мОм, tgδ>0,14-:-0,3), а в наиболее качественных изделиях танталовые оксидные конденсаторы.

Для улучшения качества питающего напряжения произошел рост частоты преобразования и снижение времени переключения. Это позволяли делать танталовые ОК, но остальные типы конденсаторов в новых условиях начали перегреваться. Это заставило проводить работу по снижению ESR оксидных конденсаторов и привело к появлению ОК OSCON.

Когда появились оксидные (электролитические) конденсаторы OSCON, первое время казалось, что проблемы разогрева ОК решены. Напомню что  ESR их лучших образцов снизилось до 12 Ом (с около 30-50 Ом у предшествующих конструкций оксидных конденсаторов).

Но прошло некоторое время, для увеличения КПД снизили время переключения ключей, возросла мощность приходящаяся на одну фазу преобразователей (инверторов) и проблема вернулась снова в виде повышения температуры конденсатора.

Стоит напомнить, что согласно данным производителей, при работе на предельных температурах их ресурс падает в 10-100 раз.

 

Полимерные оксидные конденсаторы

Теперь эти конденсаторы применяются в "продвинутых" моделях системных плат и графических карт.

Поиск лучших характеристик привел к появлению полимерных оксидных конденсаторов. Сейчас их ESR достигло 7х!0-3 Ом. Но ESL уменьшилась незначительно, а учитывая их требуемую для их применений более высокую емкость - предельная рабочая частота практически не увеличилась и ее значение находится в пределах 1 - 5 МГц. Это значение аналогично другим видам современных конденсаторов танталовых, OSCON.

В таблице 2 приведены характеристики полимерных оксидных конденсаторов разных производителей.

 

Параметр Производитель полимерных оксидных конденсаторов.
Nichicon
 
Nippon
Chemi-Con
 
Panasonic
 
Hitano
Enterprise Co
 
RoHS
 
Серия CJ PSC UE ERS RPZ
Рабочее
напряжение, В
2,5 – 16 2,5-16 2-8 2,5-20 2,5 — 16
Емкость, мкФ 33 - 2700 270-2700 100 - 560 22-1500 100 — 1500
ESR, mOm,
при
20 °
9 - 28 5 - 11 7 — 15 12 — 50
7 — 12

tg = 0,08

Перем сост тока mАrms,
при 105 °, 100КГц
2670 — 5500 5080 - 6640 3,0 — 3,7 1810 — 5440 4000 — 6100
Ресурс, ч
при темпер 105°
2000 2000 1000 2000 2000
Темп диапазон, °С -55 -:- +105° -55 -:- +125°

-40 -:- +105°

-55 -:- +105° -55 -:- +105°

Таблица 2.

 

Если Вы обратили внимание параметры полимерных оксидных конденсаторов различных производителей, да и внутри ряда у каждого из них, весьма существенно отличаются. Поэтому подбирать их, для конкретных применений, надо по индивидуальным характеристикам конкретной серии и партии. Эти данные можно получить у производителя в виде *.pdf файла.

Минимальное значение ESR приближается к 5 миллиом.

Это позволяет им работать при более высоком переменном напряжении на конденсаторе без перегрева.

Можно прогнозировать, в ближайшее время, дальнейший рост скорости переключения ключей инверторов для повышения КПД источников питания. Есть данные о работе инверторов на частотах 400 и более килогерц. Время переключения транзисторов в этом случае составляет менее 0,25 мкс

В ближайшее время это вновь сделает проблему нагрева полимерных оксидных (электролитических) конденсаторов актуальной.

 

Общие свойства, которые ограничивают применение

Если посмотреть историю оксидных конденсаторов, то их ESR падало с величин единиц ом до теперешних единиц миллиом. Когда оксидные конденсаторы применялись для фильтрации сетевого напряжения (50 Гц), сопротивление потерь не играло существенной роли.

С появлением полупроводниковых приборов, импульсных устройств, возросли пульсации токов в результате чего потребовались оксидные конденсаторы большей емкости, что в свою очередь потребовало снижать ESR для снижения мощности выделяемой на сопротивлении потерь конденсатора. А миниатюризация электронной аппаратуры снизила размеры оксидных (электролитических) конденсаторов, что ухудшило их охлаждение и привело к росту температуры их корпусов. Это заставило производителей снижать сопротивление потерь - ESR.

Мощность потерь Pпот на сопротивлении ESR определяется по формуле:

 

Pпот = (2πfxC)2xU2xESR [Ф.2]

 

Из Ф.2 видно, что мощность (Pпот) выделяемая на конденсаторе пропорциональна ESR. Это и подталкивает к снижению сопротивления потерь (ESR).

Но если мы посмотрим внимательнее, то увидим, что мощность потерь (Pпот) пропорциональна еще и квадрату емкости (C), частоты (f) и напряжению пульсаций U. Это значит, что при появлении импульсных источников питания и с ростом их частоты переключения, в цепях фильтров которых стоят оксидные конденсаторы потребовалось еще большее снижение ESR.

С другой стороны Ф.2 говорит, что мощность потерь на оксидном конденсаторе ограничивает рабочий диапазон.

Чтобы вписаться в рабочий диапазон частот определяемых чисто физическими параметрами [Ф.1], приходится ограничивать Pпот мощностью которую способен рассеять корпус оксидного конденсатора, без снижения его надежности (сохраняя температуру конденсатора в допустимых пределах). А это для конденсатора емкостью С и данного ESR заставляет ограничить предельные напряжения пульсаций, и верхнюю границу спектрального состава протекающего тока. Правда последнее пока редко присутствует в технических характеристиках.

 

 

 

Еще несколько лет назад лучшими считались конденсаторы OSCON у которых ESR составляло около 12-18 mOm.

 

1. ESR не может быть равно нулю.

2. Pпот ограничивает применение ОК на высоких частотах

3. Рабочий диапазон частот ОК любой модели ограничен диапазоном частот от 3 до 10 МГц.

 

Лучший способ комплексной оценки эффективности замены оксидного конденсатора или применения более сложной схемы фильтра - контролировать температуру корпуса оксидного конденсатора. Этот способ позволяет на наиболее низкочастотном элементе цепи контролировать ее реакцию на изменения. Причем это позволяет сделать оценку для реальной цепи.

 

NPCAP- от Nippon Chemi-Con

SP_CON от Панасоник,

 

P.S.

Обращаю Ваше внимание, что характеристики всех конденсаторов описывается одними зависимостями. И те отличия, которые определяются характеристиками диэлектриков, легко учитываются. Поэтому все тайны в этой области относятся скорее к отсутствию "знания" (информации) у Вас, чем к недоработкам науки.

Знание - субъективный образ объективной реальности, построенный на основе определенного объема информации, совокупности понятий, теоретических построений и представлений.

 

Литература.

  1. Некоторые особенности схем цепей распределения питания скоростных СБИС на МОП структурах.
  2. Влияние параметров генератора помех на эффективность их фильтрации.
  3. Механизм генерации помех в БИС процессоров.
  4. Фильтрация помех генерируемых современным процессором.
  5. Что можно сделать "на коленке"?
  6. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОКСИДНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ, А.Сорокин, "Радио" - № 1, 2003, стр. 20
  7. Высококачественные полимерные конденсаторы японского производства.
  8. Оксидные конденсаторы, некоторые особенности применения.
  9. Графический анализ частотно зависимых цепей с помощью программы Advanced Grapher 2.11. (часть 1) в двух частях, А.Сорокин, Полный вариант одноименной статьи опубликованной в журнале "РАДИО"№ 6, 2006.
  10. Патент №2231899
  11. Application Guidelines for Aluminum Electrolytic Capacitors (Nichicon), aluminum.pdf

  Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.©

2002-2012