Multilayer-Kondensatoren auf dem Vormarsch

Alternative Keramik

Mit immer höherer Kapazität und attraktiven Preisen verdrängen Multilayer-Keramik-Kondensatoren Tantal-Kondensatoren aus Einsatzgebieten, die ihnen für lange Zeit vorbehalten waren.

Die neuen Multilayer-Keramik-Kondensatoren (MLCC) von Phycomp mit hohen Kapazitätswerten sind eine interessante Alternative für Entwickler, die bisher Tantal verwendet haben. Dank immer höherer Fertigungszahlen und neuer Entwicklungen sind die Kosten für MLCC-Kondensatoren erheblich gefallen. Tabelle 1 enthält einen Vergleich zwischen einer Reihe typischer Tantal-Kondensatoren und MLCCs unter Berücksichtigung der elektrischen Kenndaten und der Kosten.
Vergleich bei Glättungs-Anwendungen
Eines der beliebtesten Einsatzgebiete für die Glättung sind Schaltnetzteile, die ein breites Spektrum von Ausgangsleistungs- und Stromwelligkeits-Werten abdecken. Trotzdem ist die Auswahl der Kondensator-Technologie auf Grund der Design-Constraints wie maximale Betriebstemperatur, benötigte Kapazität und Höhe der Schaltfrequenz eine klare Sache. Wenn aber die Auswahl nicht so klar ist, hilft eine Kosten/Nutzen-Analyse weiter. Ein Vergleich des Glättungsverhaltens der Produkte aus Tabelle 1 lässt sich anhand eines Spice-Modells anstellen. Dieses Modell nutzt eine Simulationsschaltung, die aus einem Vollwellen-Brückengleichrichter besteht, der von einer Sinus-Spannungsquelle mit 1 ? Innenwiderstand und einer Ausgangsspannung von 10 V versorgt wird. Die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters wird entweder mit einem MLCC oder einem Tantal-Kondensator geglättet. Als Last treibt die Schaltung einem Widerstand von 100 ?. Die Kondensator-Modelle bestehen prinzipiell aus RLC-Modellen, deren Werte Frequenz-, Temperatur- und Spannungsabhängig sind. Dieses Vorgehen ist sinnvoll, da die Schaltung für eine einzige Frequenz simuliert wird.
Auf der Basis des Kostenindex (K) aus Tabelle 1 lässt sich das Glättungsverhalten in Kosten/Leistungs-Diagramme übersetzen. Bild 1 zeigt ein typisches Beispiel, in dem Kosten und Leistung im Vergleich zu Tantal bei 1 µF angegeben sind. Gutes Glättungsverhalten entspricht einem geringen Welligkeits (Ripple)-Index.
Mit steigender Kapazität verbessert sich das elektrische Verhalten. Weiterhin ist zu sehen, das MLCC-Produkte in allen Bereichen die preisgünstigere Lösung sind. Zudem ist ein Y5V im unteren und mittleren Leistungsbereich die kostengünstigste Lösung, während ein X7R im oberen Leistungsbereich die beste Wahl ist. Wegen der begrenzten effektiven Kapazität und dem hohen ESR von Tantal-Kondensatoren sind X7R MLCCs bei höheren Frequenzen (z. B. 1 MHz) sogar noch konkurrenzfähiger. Obwohl sich diese Angaben auf eine Betriebstemperatur von 40 °C beziehen, ist das Leistungsverhalten bei höheren Temperaturen im Wesentlichen das gleiche; allerdings sind die Y5V MLCCs wegen der Abnahme ihrer effektiven Kapazität bei zunehmender Temperatur immer weniger attraktiv.
Alle erwähnten Ergebnisse wurden mit Parametern auf der Basis einer DC-Vorspannung von 5 V simuliert. Sinkt die Vorspannung auf 3 oder 1,5 V, dann bleibt das Verhalten der Tantal-Kondensatoren unverändert, das von MLCCs verbessert sich aber. In diesem Zusammenhang ist auch interessant, dass sich das Verhalten der Y5V MLCCs stärker verbessert, da sie empfindlicher auf die DC-Vorspannung reagieren.Y5V MLCCs werden daher bei geringeren Versorgungsspannungen nochmals kosteneffektiver.
Entkopplungsverhalten
Bei lokalen Entkopplungsaufgaben spielt die für einen Zustandwechsel im IC erforderliche Ladungsmenge eine wichtige Rolle. Hier kann es zu kurzfristigen Einbrüchen der Versorgungsspannung kommen, die das Verhalten des ICs erheblich beeinträchtigen können. Der Kondensator muss also effektiv als Ladungsquelle mit geringer Eigenimpedanz arbeiten.
Die Bilder 2 und 3 zeigen die Ergebnisse der Untersuchungen von MLCCs mit 0,1 bis 10 µF und Tantal-Kondensatoren mit 1 bis 100 µF aus Tabelle 1 im Frequenzbereich von 100 kHz bis 1 MHz. Wie beim Glättungsverhalten verbessert sich die Leistung mit zunehmender Kapazität.
Bild 2 zeigt deutlich, dass ein MLCC mit 1 µF bei 100 kHz und 40 °C eine kostengünstigere Lösung ist als ein 1 µF/16 V Tantal-Kondensator, dass er aber nicht so gut ist wie der 10 µF Tantal-Kondensator. Der 33 µF Kondensator mit Gehäusegröße C und ein 100 µF Kondensator im Gehäuseformat D bieten sogar noch bessere Leistung, aber bei wesentlich höheren Kosten. Weil diese Bauteile zudem viel größer sind, könnte man als Entwickler in diesem Fall durchaus den Einsatz von mehr als einem MLCC gegenüber einem größeren Tantal-Kondensator in Betracht ziehen.
Aus Bild 3 geht hervor, wie sich das Verhalten verändert, wenn die Entkoppelfrequenz auf 1 MHz steigt. Der 1 µF X7R ist bei dieser Frequenz eine deutlich kostengünstigere Lösung als selbst ein 10 µF Tantal-Kondensator. Zudem hat sich auch die Kosteneffizienz des Y5V-Kondensators verbessert. Beide Effekte folgen aus dem geringeren Bedarf nach effektiver Kapazität bei dieser Frequenz und der größeren Bedeutung eines geringeren ESR-Wertes. Ebenfalls deutlich sichtbar ist, dass die 33 µF und 100 µF Tantal-Kondensatoren trotz ihrer hohen Nominalkapazität nicht mehr die beste Leistung bieten ? die 2,2 µF X7R sind diesen Kondensatoren sogar überlegen.
Die Simulationsergebnisse zeigen darüber hinaus, dass sich mit einem Anstieg der Betriebstemperatur auf 60 °C auch die Kosteneffizienz der X7R verbessert. Unter diesen Bedingungen bieten die X7R sogar ein konkurrenzlos gutes Entkopplungsverhalten.
Prinzipiell zeigen die Resultate, dass MLCCs mit X7R- und Y5V-Dielektrikum über einen breiten Frequenz- und Temperaturbereich kosteneffektive Alternativen zu gleichwertigen Tantal-Kondensatoren sind. Bei Frequenzen bis 500 kHz lässt sich die Entkopplungsleistung in Tantal-Technologie durch die Auswahl einer größeren Kapazität verbessern. Da der ESR-Wert dieser größeren Kapazität geringer ist, wird auch die Impedanz über einen großen Teil des Frequenzbereichs kleiner sein. Allerdings hat ein Tantal-Kondensator mit größerem Wert meist die Nachteile einer geringeren Nennspannung und eines größeren Bauteilformats sowie einer schlechteren elektrischen Leistung bei höheren Frequenzen.

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