Por que e como usar capacitores de alumínio-polímero para alimentar efetivamente CPUs, ASICs, FPGAs e USB

Os projetistas de soluções de fornecimento de energia para sistemas e subsistemas eletrônicos, incluindo CIs, CIs de aplicação específica (ASICs), unidades centrais de processamento (CPUs) e matrizes de portas programáveis no campo (FPGAs), bem como alimentação USB, estão constantemente procurando maneiras de melhorar a eficiência, ao mesmo tempo em que garantem energia estável e livre de ruído em amplas faixas de temperatura em um fator de forma compacto. Eles precisam melhorar a eficiência, estabilidade e confiabilidade, reduzir os custos e diminuir o fator forma da solução. Ao mesmo tempo, eles devem atender aos requisitos cada vez maiores de desempenho energético da aplicação, incluindo suavizar as correntes de entrada e saída dos circuitos de fornecimento de energia, suportar as demandas de pico de energia e suprimir as flutuações de tensão.

Para enfrentar estes desafios, os projetistas precisam de capacitores que tenham baixa resistência em série equivalente (ESR) e baixa impedância em altas frequências para suportar a absorção de ondulações e garantir uma resposta transitória suave e rápida. Além disso, tanto a confiabilidade operacional quanto a confiabilidade da cadeia de suprimentos são importantes.

Olhando para as questões e opções, os capacitores eletrolíticos de alumínio-polímero surgem como uma boa solução, pois apresentam alto desempenho elétrico, estabilidade, baixo ruído, confiabilidade, um fator de forma compacto e baixo risco da cadeia de suprimento, pois não utilizam materiais de conflito. Eles combinam baixa ESR (tipicamente medido em miliohms (mΩ)) e baixas impedâncias em altas frequências (até 500 quilohertz (kHz)), proporcionando excelente supressão de ruído, absorção de ondulação e desempenho de desacoplamento em linhas de energia. Eles também têm estabilidade de capacitância em altas frequências e temperaturas de operação.

Este artigo apresenta uma visão geral de como funcionam os capacitores eletrolíticos de alumínio-polímero e como eles são feitos. Ele compara o desempenho desses capacitores com tecnologias alternativas de capacitores, antes de analisar aplicações específicas para capacitores eletrolíticos de alumínio-polímero. Encerra com uma revisão dos dispositivos representativos da Murata e considerações de aplicação que os projetistas precisam estar cientes ao usar esses capacitores.

Como são feitos os capacitores de alumínio-polímero?

Os capacitores de alumínio-polímero possuem um cátodo de folha de alumínio corroída, um dielétrico de filme com óxido de alumínio e um cátodo de polímero condutor (Figura 1). Dependendo do dispositivo específico, estão disponíveis com capacitâncias de 6,8 a 470 microfarads (µF) e cobrem uma faixa de tensão de 2 a 25 volts de corrente contínua (Vcc).

Figura 1: Modelo de capacitor eletrolítico de alumínio-polímero mostrando a relação entre o ânodo de folha de alumínio corroída (esquerda), o dielétrico de filme com óxido de alumínio (centro), e o cátodo de polímero condutor (direita). (Fonte da imagem: Murata)

Nos dispositivos da série ECAS da Murata, a folha de alumínio corroída é fixada diretamente ao eletrodo positivo, enquanto o polímero condutor é coberto com uma pasta de carbono e conectado ao eletrodo negativo usando uma pasta condutora de prata (Figura 2). Toda a estrutura está envolta em uma resina epóxi moldada para resistência mecânica e proteção ambiental. O invólucro resultante de perfil baixo e montagem em superfície é livre de halogênio e dimensionado para nível de sensibilidade à umidade (MSL) 3. A estrutura multicamadas (laminada) da folha de alumínio e do filme oxidado diferencia a série ECAS de capacitores eletrolíticos de alumínio típicos da Murata, tais como estruturas enroladas tipo lata que podem usar um polímero ou um eletrólito como catodo.

Figura 2: Estrutura do capacitor de alumínio-polímero da série ECAS mostrando o polímero condutor (rosa), folha de alumínio corroída (branca), filme com óxido de alumínio (azul), a pasta de carbono (marrom) e a pasta de prata (cinza escuro) que conectam o polímero condutor ao eletrodo negativo e o alojamento de resina epóxi. (Fonte da imagem: Murata)

A combinação da estrutura laminada e a seleção de materiais permite que os capacitores ECAS tenham a menor ESR disponível para capacitores eletrolíticos. Os capacitores de alumínio-polímero da série ECAS fornecem capacitâncias comparáveis aos capacitores de tântalo (Ta) e polímero, capacitores de Ta e dióxido de manganês (MnO₂) e capacitores de cerâmica multicamadas (MLCCs), com ESRs que são comparáveis aos MLCCs e inferiores aos capacitores de polímero ou de Ta-MnO₂ Ta (Figura 3).

Figura 3: Os capacitores de alumínio-polímero (série ECAS) apresentam valores de capacitância mais altos e ESRs comparáveis em comparação com os MLCCs, e ESRs mais baixas com capacitância comparável aos capacitores de tântalo e de alumínio tipo lata. (Fonte da imagem: Murata)

Para aplicações sensíveis ao custo, capacitores eletrolíticos de alumínio e capacitores de Ta-(MnO₂) podem fornecer soluções relativamente baratas. Os capacitores eletrolíticos convencionais de alumínio ou tântalo utilizam um eletrólito ou dióxido de manganês (MnO₂) como o cátodo. O uso de um cátodo de polímero condutor nos capacitores ECAS resulta em menor ESR, características térmicas mais estáveis, maior segurança e vida útil mais longa (Figura 4). Os MLCCs, embora relativamente baratos, sofrem de características de polarização CC não encontradas nas outras tecnologias de capacitores.

Figura 4: Os capacitores de alumínio-polímero fornecem a combinação básica de baixa ESR, características de polarização CC, características de temperatura, vida útil e confiabilidade. (Fonte da imagem: Murata)

A característica de polarização CC refere-se à mudança de capacitância de um MLCC com uma tensão CC é aplicada. Conforme a tensão CC aplicada aumenta, a capacitância efetiva do MLCC diminui. Quando a polarização CC aumenta para poucos volts, os MLCCs podem perder de 40 % a 80 % de seu valor nominal de capacidade, tornando-os impróprios para muitas aplicações de gerenciamento de energia.

As características de desempenho dos capacitores eletrolíticos de alumínio-polímero os tornam bem adequados para aplicações de gerenciamento de energia, incluindo fontes de alimentação para CPUs, ASICs, FPGAs e outros grandes CIs, e para suportar necessidades de energia de pico em sistemas de alimentação USB (Figura 5).

Figura 5: No Ex. 1 (em cima): capacitores de alumínio-polímero em um circuito de gerenciamento de energia utilizado em aplicações de destino para eliminar ondulações, suavizar e estabilizar as fontes de tensão. Ex. 2 (embaixo): os capacitores de alumínio-polímero podem suportar as necessidades de energia de pico em sistemas de alimentação USB. (Fonte da imagem: Murata)

Os capacitores de alumínio-polímero têm baixa ESR, baixa impedância e capacitância estável, tornando-os adequados para aplicações como suavização e eliminação de ondulação, especialmente em linhas de energia sujeitas a grandes flutuações na corrente da carga. Nessas aplicações, capacitores de alumínio-polímero podem ser usados em combinação com MLCCs.

Os capacitores de alumínio-polímero proporcionam funções de gerenciamento de energia e os MLCCs filtram o ruído de alta frequência nos pinos de alimentação dos CIs. Os capacitores de alumínio-polímero também podem suportar necessidades de energia de pico em sistemas de alimentação USB enquanto mantêm uma pegada pequena da placa de circuito impresso.

Capacitores de alumínio-polímero

Os capacitores de alumínio-polímero ECAS estão disponíveis em quatro tamanhos de invólucros com métrica EIA 7343, dependendo de suas classificações: D3: (7,3 milímetros (mm) x 4,3 mm x 1,4 mm de altura); D4 (7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm de altura); D6 (7,3 mm x 4,3 mm x 2,8 mm de altura); e D9 (7,3 mm x 4,3 mm x 4,2 mm de altura). Eles estão disponíveis nos formatos DigiReel, fita cortada, fita e carretel (Figura 6). Outras especificações incluem:

• Faixa de capacitância: 6,8 µF a 470 μF
• Tolerâncias de capacitância: ±20 % e +10 %/-35 %
• Tensões nominais: 2 Vcc a 16 Vcc
• ESRs: 6 mΩ a 70 mΩ
• Temperatura de operação: -40 °C a +105 °C

Figura 6: Os capacitores de alumínio-polímero ECAS são oferecidos nos formatos DigiReel, fita cortada, fita e carretel, e vêm nos tamanhos de invólucros D3, D4, D6 e D9. (Fonte da imagem: Murata)

A Murata recentemente expandiu a família ECAS para incluir dispositivos de 330 µF (±20 %), 6,3 volts como o ECASD60J337M009KA0 com uma ESR de 9 mΩ em um tamanho de invólucro D4. Valores de capacitância mais altos podem contribuir para uma melhor suavização da ondulação e uma redução do número de capacitores necessários, reduzindo o tamanho total da solução.

Por exemplo, quando usado para filtrar a saída de um conversor CC-CC chaveando a 300 kHz, o capacitor de alumínio-polímero de 330 µF (±20 %), 2 volts ECASD40D337M006KA0 com uma ESR de 6 mΩ produzirá uma tensão de ondulação de 13 milivolts pico a pico (mVp-p), em comparação com um capacitor de alumínio-polímero com uma ESR de 15 mΩ, que produz uma tensão de ondulação de 36 mVp-p, ou um capacitor eletrolítico de alumínio com uma ESR de 900 mΩ, que produz uma tensão de ondulação de 950 mVp-p.

Outros exemplos de capacitores ECAS incluem o ECASD40D157M009K00, dimensionado para 150 µF (±20 %) e 2 Vcc com uma ESR de 9 mΩ em um invólucro D4, e o ECASD41C686M040KH0, dimensionado para 68 µF (±20 %) e 16 Vcc com uma ESR de 40 mΩ, também em um invólucro D4. As características dos capacitores de alumínio-polímero ECAS incluem:

• Alta capacitância combinada com baixa ESR
• Capacitância estável com altas frequências/temperatura/tensão CC aplicada
• Excelente absorção de ondulação, suavização, resposta transitória
• Não é necessário reduzir a tensão
• Eliminação do ruído acústico criado pelos capacitores de cerâmica (efeito piezo)
• Barra de polaridade (positiva) anotada no produto
• Construção para montagem em superfície
• Conformidade com RoHS
• Livre de halogênio
• Empacotamento MSL 3

Considerações de projeto

Os capacitores eletrolíticos de alumínio-polímero ECAS são otimizados para uso em aplicações de gerenciamento de energia; eles não são recomendados para uso em circuitos com constante de tempo, circuitos de acoplamento ou circuitos que são sensíveis a correntes de fuga. Os capacitores ECAS não são projetados para serem conectados em série. Outras considerações de projeto incluem:

• Polaridade: os capacitores eletrolíticos de alumínio-polímero são polarizados e devem ser conectados na polaridade correta. Mesmo uma aplicação momentânea de uma tensão reversa pode danificar o filme de óxido e prejudicar o desempenho do condensador.
• Tensão de operação: quando estes capacitores são usados em circuitos CA ou com corrente de ondulação, a tensão de pico a pico (Vp-p), ou a tensão de offset a pico (Vo-p), que inclui a polarização CC, deve ser mantida dentro da faixa de tensão nominal. Em circuitos de chaveamento que podem experimentar tensões transitórias, a tensão nominal deve ser alta o suficiente para incluir também os picos transitórios.
• Corrente de partida: se for esperada uma corrente de partida superior a 20 amperes (A), é necessário uma limitação adicional da corrente de partida para manter o pico de partida em 20 A.
• Corrente de ondulação: cada modelo da série ECAS tem dimensionamentos específicos da corrente de ondulação que não devem ser excedidos. Correntes de ondulação excessivas gerará calor que pode danificar o capacitor.
• Temperatura de operação:
  • Ao determinar o dimensionamento de temperatura do capacitor, os projetistas precisam levar em consideração a temperatura de operação da aplicação, incluindo a distribuição da temperatura dentro do equipamento e quaisquer fatores sazonais de temperatura.
  • A temperatura da superfície do capacitor deve permanecer dentro da faixa de temperatura de operação, incluindo qualquer auto-aquecimento do capacitor resultante de fatores específicos da aplicação, tais como correntes de ondulação.

Conclusão

É difícil para os projetistas de sistemas de fornecimento de energia alcançar o equilíbrio ideal de eficiência, desempenho, custo, estabilidade, confiabilidade e fator de forma, particularmente quando se alimenta grandes CIs como MCUs, ASICs e FPGAs, e quando se dá suporte às necessidades da energia de pico em aplicações USB. Um dos principais componentes da cadeia de sinais da fonte de alimentação é o capacitor, e há muitas características destes dispositivos que ajudam a atender às exigências dos projetistas — se for utilizada a tecnologia correta.

Como mostrado, os capacitores de alumínio-polímero ajudam os projetistas a encontrar o equilíbrio certo. Sua estrutura garante baixas impedâncias em frequências de até 500 kHz, baixa ESR, boa suavização da ondulação, bem como boa supressão de ruídos e desacoplamento em linhas de energia. Além disso, eles não sofrem das limitações de polarização CC, e são autorecuperáveis, melhorando a confiabilidade operacional. Eles também têm uma cadeia de suprimentos mais confiável, pois não utilizam materiais de conflito. Em resumo, os capacitores de alumínio-polímero oferecem aos projetistas uma opção de maior desempenho para atender às exigências de uma ampla gama de sistemas de gerenciamento de energia.

Leitura recomendada:

1. Fundamentos: Compreenda as características dos tipos de capacitores para utilizá-los de forma adequada e segura