DC-Versorgungsspannungen mit MLCCs glätten

In den meisten Anwendungen erfolgt die Stromversorgung mit einem Netzteil, das in vielen Fällen eine Gleichspannung erzeugt. Stromversorgungs-ICs am Ausgang des Netzteils liefern die für die jeweiligen Schaltungsteile notwendigen Versorgungsspannungen. Glättungskondensatoren mit Kapazitäten von über 100 µF gleichen Spannungsschwankungen aus, die durch wechselnde Lasten, Lastregelungstransienten und Gleichrichter entstehen können.

Bei heutigen Entwicklungen geht der Trend hin zu niedrigeren Versorgungsspannungen, die in einigen Fällen 0,6 V_DC betragen. Um die Stabilität solcher Schaltungen zu gewährleisten, sind Glättungskondensatoren erforderlich.

Klein, preiswert, MLCC

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Kondensatoren mit unterschiedlichen Eigenschaften (Tabelle 1). So bieten zum Beispiel Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (MLCCs) neben kleinen Abmessungen eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber anderen Kondensatortypen sowie geringe Impedanz beziehungsweise niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Ferner sind MLCCs preiswerter als andere Typen.

Bild 1: Querschnitt durch einen 3,2 mm x 2,5 mm großen MLCC mit 330 µF. Murata

Nachteilig bei MLCCs sind die Temperaturabhängigkeit des Kapazitätswerts und die Tatsache, dass die effektive Kapazität durch Anlegen einer Spannung sinkt. Wegen dieser Spannungsabhängigkeit der Kapazität entscheiden sich Entwickler meist für MLCCs, wenn sie Kondensatoren mit hoher Kapazität und kleinen Abmessungen brauchen. Bei Glättungskondensatoren, die Kapazitätswerte von über 100 µF und eine niedrige Impedanz aufweisen müssen, fällt die Wahl meist auf Polymer-Elkos.

Technische Verbesserungen drängen die Nachteile, die MLCCs beim Einsatz als Glättungskondensatoren aufweisen, zunehmend in den Hintergrund. Zum Beispiel hat Murata Manufacturing Technologien eingeführt, die eine stabile Massenfertigung von tausend oder mehr hochgenauen dielektrischen Schichten mit Stärken von 1 µm oder weniger sowie eine Verringerung der Gesamtdicke ermöglichen. Dies ermöglicht die Massenproduktion von MLCCs mit Kapazitäten von 100 µF. Bild 1 zeigt einen 3,2 mm x 2,5 mm großen 330-µF-Kondensator als Beispiel für die technischen Verbesserungen.

MLCCs als realistische Alternative

Angesichts des Trends hin zu Mikrocontrollern und digitalen Logikbausteinen mit immer niedrigeren Versorgungsspannungen werden die Auswirkungen, die die Spannungsabhängigkeit der Kapazität von MLCCs auf die effektive Kapazität hat, immer geringer. MLCCs mit höherer Kapazität entwickeln sich deshalb zunehmend zu einer realistischen Alternative, wenn es um die Glättung von DC-Versorgungsspannungen geht.

Tabelle 1: Einteilung von Kondensatoren nach Struktur und Zusammensetzung. Murata

Beim Einsatz von MLCCs als Alternative zu Polymer-Elkos eröffnet sich der interessante Aspekt, dass bei MLCCs als Glättungskondensatoren geringere Kapazitätswerte genügen. Dies liegt daran, dass die Impedanz sowie der äquivalente Serienwiderstand bei MLCCs geringer sind als bei Polymer-Kondensatoren (Bild 2).

Wie aus Bild 2 ersichtlich, weisen MLCCs im Frequenzbereich über 100 kHz, in dem die Schaltfrequenzen von Stromversorgungs-ICs für digitale Bausteine angesiedelt sind, niedrigere Impedanz- und ESR-Werte auf als Polymer-Tantal-Elkos, auch wenn die Kapazität geringer ist. MLCCs können außerdem Hochfrequenzstörungen besser ausfiltern, da sie bei Frequenzen über der Resonanzfrequenz eine niedrigere Impedanz als Polymer-Tantal-Elkos aufweisen.

Polymer-Tantal-Elkos und MLCCs im Test

Um die Unterschiede der Kondensatoren zu verdeutlichen, haben Ingenieure von Murata ein Evaluierungsboard für Stromversorgungs-ICs zur Versorgung von DDR-Speichern in PCs herangezogen. Tabelle 2 zeigt die Schaltung und die Testergebnisse bei der Versorgung mit einer Gleichspannung von 1,4 V. Als Glättungskondensatoren kamen zunächst zwei Polymer-Tantal-Elkos (330 µF, 7,3 mm x 4,3 mm, 2,0 V, Toleranzklasse M) zum Einsatz.

Bild 2: Frequenzabhängigkeit von Impedanz (Z) und äquivalentem Serienwiderstand (ESR) für verschiedene Polymer-Tantal-Elkos und MLCCs. Murata

Diese ersetzten die Ingenieure anschließend durch MLCCs mit 150 µF beziehungsweise 220 µF (3,2 mm x 1,6 mm, 6,3 V, Toleranzklasse M), um die durch Spannungswelligkeiten, Spannungsspitzen und Lastsprünge verursachten Spannungsschwankungen zu untersuchen. Vor dieser Untersuchung erfolgten Phaseneinstellungen, um die Stabilität des Evaluierungsboards zu gewährleisten.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Spannungswelligkeit bei MLCCs geringer ist, obwohl sie eine geringere Nennkapazität haben als Polymer-Tantal-Elkos. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, dass MLCCs bei der verwendeten Schaltfrequenz eine niedrige Impedanz und einen geringen ESR aufweisen, was die Spannungsschwankungen mindert. Ebenso zeigen die Ergebnisse, dass die Spannungsspitzen bei MLCCs tendenziell geringer sind. Dies dürfte an der niedrigen äquivalenten Reiheninduktivität (ESL) liegen, die hochfrequente Störungen unterdrückt.

Spannungsschwankungen unter Last

Bei der Lastsprungprüfung, in deren Verlauf steile Stromänderungen auftraten, ergab sich mit den 150-µF-MLCCs eine starke Spannungsschwankung. Dies lässt sich dadurch begründen, dass bei der Lastsprungprüfung ein Zusammenhang mit der Spannungsabhängigkeit der Kapazität von MLCCs besteht. Die im Test benutzten MLCCs haben eine niedrigere Nennkapazität als die Polymer-Tantal-Elkos, und ihre effektive Kapazität wird durch diese Spannungsabhängigkeit reduziert. Dies ist die Ursache für die im Test beobachtete starke Spannungsschwankung, die bei MLCCs mit 220 µF allerdings geringer ausfiel.

Tabelle 2: Aufbau der Versuchsschaltung und Testergebnisse. Murata

Der Einsatz von Halbleiterbausteinen mit niedrigen Versorgungsspannungen hat stark zugenommen. Polymer-Tantal-Elkos mit hoher Kapazität und geringen ESR-Werten wurden deshalb in großem Umfang als Glättungskondensatoren für Stromversorgungs-ICs verwendet, die diese Halbleiterbausteine speisen. Größenreduzierung und Langzeit-Zuverlässigkeit gelten als wichtige Kriterien für weitere Anwendungen, in denen diese Halbleiterbausteine zum Einsatz kommen, und sind auch für Glättungskondensatoren von Bedeutung. Dementsprechend besteht ein Bedarf an MLCCs mit Kapazitäten von über 100 µF, deren Abmessungen sich leichter reduzieren lassen und die bei höherer Zuverlässigkeit geringe Impedanz-, ESR- und ESL-Werte bieten.

(hb)