MERKMALE & APPLIKATIONEN POLYMER DÜNNSCHICHT KONDENSATOR PML CAP

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1 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

2 LESL: RESR: Rp: Rd: Cd: Äquivalente Serieninduktivität Äquivalenter Serienwiderstand Isolationswiderstand Dielektrische Absorption Dielektrische Absorption C: Kapazität Vernachlässigbar Für die meisten Applikationen irrelevant 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

3 Tabelle 2 Vergleichstabelle PML CAP vs. SMD Kondensatoren Kondensator PML CAP Film Multi-Layer Keramik Dielektrikum Dicke Dielektrikums Dielektrische Konstante des UV gehärtetes Harz (Acryl) Harz Film (PEN, PPS) MLCC Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante (BaTiO3) <1µm/Lage 3 µm/lage <1µm/Lage ~ 3 ~ 3 2,000 5,000 Interne Elektrode Aufgetragenes Al Aufgetragenes Al Nickel Paste Nennspannung 16 63VDC VDC 2.5 3,150VDC Kapazität µF µf 68p 100 µf Temperaturbereich C C C (X8R) Größe Mittel Groß Klein Merkmale Geringstes Rauschen Geringeres Rauschen Schlechte DC Bias und exzellente DC als MLCC und Eigenschaften aufgrund Bias Charakteristik (keine piezoelektrischen Effekte) exzellente DC Bias Charakteristik (keine piezoelektrischen Effekte) 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

4 Impedance or ESR / Ω 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.

5 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

6 PML CAP hat geringstes Rauschen im mittleren F-Bereich. Sound Pressure Level / db 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. High-permittivity (X7R) Dielectric Absorption / % Ideal for loop filter due to less dielectric absorption 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.

7 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. Selbstheilung Breakdown (a) Pulsform Foto 2 Selbstheilungen nach Überspannungsimpuls (b) Selbstheilungseffekt Wechselstrombelastbarkeit Bild 8 zeigt Beispiele vom zugelassenen Rippelstrom für PMLCAPs Bild 8 zugelassener Wechselstrom des PML CAP

8 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

9 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. Eingangssignal Class D Verstärker Verbesserter Sound mit PMLCAP am Eingang PMLCAP im Ausgangsfilter verbessert die Filter Performance 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.

10 Bild 11 (a) THD+N eines Film Kondensators Bild 11 (b) THD+N des PML CAP

11 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.

12 Rauschunterdrückung Am Ein- und Ausgang LED Treiber (Booster) 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. Datum Eingang Frequenz Phase Comparator Spannungs regler Oscillator Ausgang Temperature Kompensation Keramik Kondensator Reduktion der Einrast-Zeit (Lock-Up) durch PMLCAP Divider Bild 13 PLL Synthesizer

13 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.)