В последнее время многие производители керамических конденсаторов столкнулись с тем, что спрос на их продукцию зачастую превышает предложение. Индустрия производства многослойных керамических чип-конденсаторов (MLCC) испытывает сложный этап. Производители пытаются увеличить свои мощности производства, но это займет некоторое время. Между тем, потребитель MLCC по некоторым позициям получает очень большие сроки производства от своего дистрибьютора. В такой момент инженерам приходится изучать альтернативные методы, не требующие масштабного изменения платы. KEMET предлагает свой вариант решения – использовать полимерные электролитические конденсаторы (серия KO-CAP). Они, при определенных условиях, могут заменить керамические MLCC.
Серия KO-CAP®
KO-CAP® это танталовые полимерные электролитические конденсаторы. Структура анода конденсаторов KO-CAP представляет собой симбиоз порошкового тантала, пентаоксида тантала (Ta2O5), и электролита в виде токопроводящего твердотельного полимера. Применение твердотельного токопроводящего полимера обеспечивает минимальный ESR (Эквивалентное Последовательное Сопротивление) конденсатора. Такое ESR фактически не достижимо для классических танталовых конденсаторов, так как диоксид марганца обладает низкой проводимостью.
Для специалистов-инженеров, как и у любых других проектировщиков, принятие решения перейти к полимерным танталам из керамики - это просто вопрос достижения компромисса. При принятии такого решения необходимо учитывать несколько вещей. Критические параметры проектирования, которые необходимо учитывать при попытке внести изменения это: емкость, напряжение, ESR, частота, ток утечки, габаритный размер и ограничения. Нижеприведенная блок-схема послужит руководством для принятия такого решения при рассмотрении каждого из этих параметров. Мы рассмотрим это с точки зрения того, что вы пытаетесь приблизиться к характеристикам вашего керамического конденсатора.
Важные параметры:
• Емкость
KO-CAP конденсаторы имеют большую емкость, чем керамические конденсаторы аналогичного размера (номинал KO-CAP не менее 680нФ). Если ваша общая емкость меньше, то такой вариант замены не подходит. Но, при удачном варианте, есть возможность заменить целую группу MLCC на один или два KO-CAP.
• Вольтаж
У KO-CAP конденсаторов, как и на любом конденсаторе на основе тантала, диэлектрический слой очень тонкий. Типичное значение составляет около 20 нм. Такой тонкий диэлектрик дает вам большую емкость, но также влияет на ограничение напряжения. Если рабочее напряжение более 50В, KO-CAP не является подходящим вариантом.
• ESR
Керамические конденсаторы в среднем имеют более низкое значение ESR, чем эквивалентный аналог KO-CAP. Типичного 10 мОм обычно достаточно. Если нужно ESR меньше этого значения, то KO-CAP конденсаторы могут подойти.
• Частота
При рассмотрении частотных характеристик нужно обращать внимание на внутреннюю резонансную частоту. Если ваша частота будет выше 1 МГц, конденсатор сильно изменит свои характеристики.
• Обратное напряжение
KO-CAP конденсаторы являются полярными устройствами, поэтому приложение обратного напряжения крайне не рекомендуется.
Пример подбора аналогов
У нас есть рекомендации, так что же нам теперь делать? Давайте рассмотрим на примере схемы, которая содержит понижающий преобразователь TSP54560B-Q1 от TI.
Нам стало известно, что некоторые из MLCC на этой схеме не доступны. Используя рекомендации по замене, мы приходим к нижеследующим выводам.
НА ВХОДЕ
C1, C2, C3 и C10 являются нашими входными конденсаторами. Это идентичные 2.2мкФ, 50В, типоразмер 1206, диэлектрик X7R. Нет предложений по замене на MLCC, но мы можем взять общую емкость 8.8мкФ и заменить четыре MLCC одним конденсатором KO-CAP на 10мкФ и напряжением 35В. Это больше, чем исходная емкость, которая нам нужна, но она по-прежнему находится в пределах требуемого диапазона для этого регулятора. ESR, ток утечки и частота не вызывают беспокойства, если на входе нет прямого напряжения от источника питания. Наш инструмент моделирования (K-SIM) показывает их схожие характеристики.
НА ВЫХОДЕ
На стороне вывода мы имеем конденсаторы C6, C7, C9 и C11, это одинаковые MLCC на 22мкФ, 10В, типоразмер 1206, диэлектрик X7R. В этом случае тоже можно заменить всю группу одним конденсатом KO-CAP. Возьмем конденсатор с напряжением 6,3В, это меньше чем у MLCC, но больше, чем диапазон выходного напряжения. ESR у KO-CAP выше, чем у керамических эквивалентов, но все еще в рамках спецификации. Частота переключения схемы составляет 300 кГц, а внутренняя резонансная частота нашей замены выдерживает до 1 МГц, поэтому тут все ОК.
Есть еще конденсаторы C4, C5, и C8, которые позволяют функционировать устройству, Но для MLCC с такими типоразмерами и емкостями не должно быть проблем с доступностью или аналогами. Мы не упомянули еще о токе утечки, т.к. эта проблема может коснуться только схем с неперезаряжаемыми источниками питания.
Выводы по замене керамических конденсаторов
Найти подходящую замену вполне выполнимая задача, в случае замены целой группы MLCC на KO-CAP, это даже выгодно экономически. Есть случаи, когда замена не допустима, но зачастую, при дефиците оригинальных конденсаторов, замена возможна, и поиск решений может дать положительный результат.