So lassen sich die Vorteile von Aluminium-Polymer-Kondensatoren richtig nutzen

Aluminium-Polymer-Kondensatoren, auch Polymer-Elektrolyt-Kondensatoren oder kurz Polymer-Elkos genannt, sind eine Unterform der Elektrolyt-Kondensatoren, bei denen statt eines flüssigen Elektrolyts ein leitfähiges, festes Polymer eingesetzt wird. Sowohl Aluminium-Polymer- als auch Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren besitzen ein sehr gutes Verhalten gegenüber der Einwirkung von Spannung und Temperatur. Aluminium-Polymer-Kondensatoren verfügen zudem über eine sehr positive Eigenschaft bezüglich Alterung, vor allem im Vergleich zu Keramikkondensatoren. Sobald die Kapazität größer werden muss, sind diese Kondensatoren auch preislich äußerst interessant. Darüber hinaus lassen sich durch ihr spezielles Konstruktionsverfahren parasitäre Effekte erheblich verringern. Für die Anwendung bedeutet dies, dass ein hoher Rippelstrom, geringe parasitäre Induktivitäten, hohe Zuverlässigkeit und sehr gute Temperatureigenschaften möglich sind.

Die hohe Zuverlässigkeit lässt sich durch die um eine vielfach höhere Lebensdauer der Aluminium-Polymer-Kondensatoren belegen. Allerdings sollten die spezifischen Gegebenheiten der Applikation hinsichtlich Vibration bedacht werden, da festes Polymer diese nicht so gut abfedern kann wie ein flüssiger Elektrolyt. Ebenso muss berücksichtigt werden, dass in Bezug auf das Volumen bei einer definierten Kapazität und Spannung der normale Aluminium-Elektrolyt-Kondensator weiterhin Vorteile hat.

Abwärtswandler mit Polymer-Elkos

Anhand eines Abwärtswandlers werden nun die positiven Effekte des Aluminium-Polymer-Kondensators aufgezeigt. Die Eingangsspannung liegt bei 12 V, die Ausgangsspannung wurde auf 5 V eingestellt. Eine reine ohmsche Last von 5 Ω bewirkt, dass ein Strom von 1 A durch den Widerstand fließt. Dieser Aufbau wird sowohl für die EMV-Messung als auch für die Messungen des Ripple der Ausgangsspannung, bei immer konstanter Last, verwendet. Bezüglich EMV ist ein Abwärtswandler jedoch deutlich kritischer am Eingang, was an der diskontinuierlichen Stromaufnahme, verursacht durch die schnellen Schaltvorgänge der Halbleiter, liegt. Bedingt durch die Topologie ist am Ausgang bereits ein „LC-Filter“ vorhanden, welches den diskontinuierlichen Strom auf der High-Side integriert.

Bild 1: Schaltplan des aufgebauten Abwärtswandlers. Würth Elektronik

Aufbau sowie Auslegung des Abwärtswandlers (Bild 1) orientieren sich an den Vorgaben des Datenblattes. Der Induktivitätswert der Spule sowie die Kapazität der Ein- und Ausgangskondensatoren wurden durch das Datenblatt und anhand der Simulationssoftware des Herstellers verifiziert. Dies war vor allem bei der Verwendung von nur einem Aluminium-Elektrolyt-Kondensator wichtig, denn durch den sehr hohen ESR-Wert wurde die Stabilität des Reglers beeinträchtigt. Ein zusätzlicher Kondensator an der Feedback-Loop wirkt diesem Effekt entgegen.

Bild 2: Das Layout besteht aus zwei Lagen mit jeweils vollen Kupferflächen auf der Top- und Bottom-Seite mit jeweiligem Massebezug. Würth Elektronik

Das Layout (Bild 2) besteht aus zwei Lagen mit jeweils vollen Kupferflächen auf der Top- und Bottom-Seite mit jeweiligem Massebezug. An dem Layout selbst könnten noch verschiedene Punkte verbessert werden. Vor allem die Anbindung der Komponenten an die Massefläche bedarf noch der Optimierung, um eine bessere Filterwirkung zu erreichen. Bei der Messung am Ausgangskondensator ist deutlich zu erkennen, dass sich durch die hohe parasitäre Induktivität Spannungsspitzen auf dem Ausgangssignal bilden.

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, wie der Wechsel zum Polymer-Elko das EMV-Verhalten verbessert.

Wechsel zu Polymer-Elko verbessert die EMV

Bild 3: Erste EMV-Messung mit einem Aluminium-Elektrolytkondensator als C1. Würth Elektronik

Die EMV-Messung erfolgte nach der Norm CISPR 32 in einer Schirmkabine mit dazugehöriger Anbindung an die Massefläche der Kabine. Im ersten Schritt wurde auf weitere Eingangsfilter auf dem Layout verzichtet, lediglich in der letzten Messung wurde ein T-Filter mit nachgeschalteter Spule nach den Vorgaben im Datenblatt aufgebaut. Bei der ersten Messung wurde für den Eingangskondensator C1 ein Aluminium-Elektrolytkondensator WCAP-ASLL 865 060 343 004 verwendet (Nennkapazität 47 µF, Nennspannung 16 V, ESR 411 mΩ, ESL 19 nH). Im Messergebnis (Bild 3) ist zu erkennen, dass die Grenzwerte der CISPR 32 Klasse B mit Störpegeln von bis zu 100 dBµV deutlich überschritten werden. Der Grund dafür: Der Kondensator als reelles Bauelement besitzt parasitäre Effekte, vor allem der ESR erzeugt zusammen mit den parasitären Effekten des Layouts einen hochfrequenten Spannungsfall, der messtechnisch erfasst werden kann.

Bild 4: Aufgebauter Eingangsfilter mit dargestellter Filterperformance. Würth Elektronik

Der erste Lösungsansatz, um die Grenzwerte einzuhalten, kann ein Aluminium-Polymer-Kondensator sein. Dessen elektrischen Eigenschaften in Bezug auf Kapazität und Nennspannung sind die gleichen, wie die des Aluminium-Elektrolyt-Kondensators. Auch die Bauform ist bei einem Kapazitätswert von 47 µF gleich groß, sodass der Kondensator auf das ursprüngliche Lötpad passt. Als Aluminium-Polymer-Kondensator wurde der WCAP-PSLP 875 105 344 006 mit 47 µF Nennkapazität, einer Nennspannung von 16 V, einem ESR von 20,7 mΩ und einem ESL von 3,9 nH verwendet.

Pegel breitbandig unterhalb der Klasse B

Allein durch den Wechsel eines Bauteils ließ sich die EMV-Performance deutlich verbessern. Die Grundfrequenz und die ersten Harmonischen dieser Frequenz erzeugen einen geringeren Spannungsabfall, wodurch auch weniger Störungen entstehen. Trotzdem konnte der Grenzwert nicht eingehalten werden und es mussten noch weitere Filter platziert werden. Der Aufbau des Filters orientiert sich an den Vorgaben im Datenblatt. Daher besitzt der Filter die in Bild 4 abgebildete Einfügedämpfung (im 50-Ω-System). Der Eingangsfilter wurde anschließend auf dem PCB aufgebaut und eine weitere Messung durchgeführt. Die Kombination aus Eingangsfilter, niedrigem ESR und niedrigem ESL des Aluminium-Polymer-Kondensators schafft es, die Pegel breitbandig unter das Limit der Klasse B zu drücken. Werte von unter 40 dBµV (Average & Quasi Peak) sind problemlos möglich und die Messung wird bestanden.

Warum Alu-Polymer-Kondensatoren cool bleiben, zeigt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Aluminium-Polymer-Kondensatoren erwärmen sich weniger

Bild 5: Restwelligkeit am Ausgang des Abwärtswandlers, wenn nur ein Aluminium-Elektrolytkondensator zum Einsatz kommt. Würth Elektronik

Als Ausgangskondensator eines Abwärtswandlers wird eine gewisse Kapazität benötigt, um den Regelkreis und damit auch die Ausgangsspannung stabil zu halten. Wird der Kapazitätswert durch die eingestellte Ausgangsspannung verringert, kann der Spannungsregler im schlimmsten Fall dessen Spezifikation nicht mehr einhalten. Dies muss vor allem beim Einsatz von Klasse 2 MLCCs berücksichtigt werden. Die erste Messung, dargestellt in Bild 5, zeigt das Ergebnis des Ausgangsripple des Schaltreglers, wenn nur ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator (WCAP-ASLL 865 060 343 004) verwendet wird.

Durch den hohen ESR-Wert stellt sich ein Spitze-Spitze-Wert von knapp 400 mV ein. Dies bedeutet bei einer Ausgangsspannung von 5 V immerhin einen Spannungsripple von acht Prozent. Selbst bei zwei parallelen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren des selben Typs, ist der resultierende ESR mit 205,5 mΩ immer noch deutlich zu hoch. Auch der Ripple-Strom durch den Kondensator darf nicht vernachlässigt werden. Dieser führt zur Erwärmung des Bauteils und zwangsläufig über die Dauer zum Ausfall des Kondensators. Daher muss die Ripple-Strom-Tragfähigkeit bei Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren immer überprüft werden.

Bild 6: Vergleich des ESR des verwendeten Aluminium-Elektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensator. Würth Elektronik

Bei Aluminium-Polymer-Kondensatoren ist die Erwärmung des Bauteils bei gleichem Ripple deutlich geringer und es sind deutlich größere Ripple-Ströme möglich, ohne das Bauteil thermisch zu überlasten. Bild 6 zeigt einen Vergleich des ESR für  Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren und Aluminium-Polymer-Kondensatoren.

MLCC als effektiver Begleiter

Für die Messung der Restwelligkeit der Ausgangsspannung mit dem Aluminium-Polymer-Kondensator als Ausgangskondensator wurde der WCAP-PSLP 875 105 344 006 mit einer Nennkapazität von 47 µF, einer Nennspannung von 16 V, einem ESR 20,7 mΩ und einem ESL 3,9 nH verwendet. Der Spitze-Spitze-Wert der Messung liegt nun lediglich bei 50 mV. Die Spannungsspitzen werden beim Umschalten durch parasitäre Induktivitäten verursacht. Da in einer reellen Applikation auch keinen Aluminium-Polymer-Kondensator allein zum Einsatz kommt, empfiehlt es sich, noch ein MLCC parallel zu platzieren. Damit lassen sich die parasitären Effekte sehr gut minimieren und es stellt sich ein sauberes Ausgangssignal ein. Als MLCC kam eine X7R-Keramik mit einer Nennkapazität von 4,7 µF und einer Nennspannung von 16 V zum Einsatz. Mit optimiertem Layout ist ein Spitze-Spitze-Wert von 20 mV zu erwarten.

Rechnerisch leben Aluminium-Polymer-Kondensatoren ewig

Die Lebensdauer eines Kondensators ist von vielen Faktoren abhängig. Einer davon ist die thermische Belastung, da diese maßgeblich dafür verantwortlich ist, dass innere Strukturen über die Dauer altern und die elektrischen Eigenschaften sich verschlechtern. Dadurch entsteht ein erhöhter Leckstrom, der ESR wird größer, was wiederum zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur führt. Werden diese Grenzen nicht ausgereizt, kann durch eine niedrigere Temperaturbelastung im Bauteilinneren eine hohe Lebenserwartung erzielt werden.

Für den Vergleich der Lebensdauer von Aluminium-Elektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensatoren anhand der Temperaturbelastung lässt sich Folgendes annehmen: Bei klassischen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit flüssigem Elektrolyt verdoppelt sich die zu erwartende Lebensdauer, wenn die Temperatur am Bauteil um 10 °C verringert wird, bei Aluminium-Polymer-Kondensatoren verzehnfacht sich die Lebensdauer, wenn die Temperatur am Bauteil um 20 °C verringert wird.

Lebensdauer ist zwar wichtig, aber nicht alles. Warum das so ist, zeigt die folgende Seite des Beitrags.

Lebensdauer ist nicht alles

Tabelle 1: Lebensdauerübersicht mit verschiedenen Umgebungstemperaturen. Würth Elektronik

Tabelle 1 vergleicht jeweils anhand der maximalen spezifizierten Bauteiltemperatur Aluminium-Elektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensatoren. Die hervorgehobene Stundenangabe ist die nominale Lebensdauerangabe des Bauteils L_NOM. Diese bezieht sich auf die maximal spezifizierte Bauteiltemperatur und wird als T₀ definiert. Die nicht hervorgehobenen Stundenangaben ist die berechnete Lebensdauer L_X. Ist die spezifizierte Bauteiltemperatur für Aluminium-Elektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensatoren gleich (beispielsweise 2000 h bei 105 °C), ist schon bei nur 85 °C Umgebungstemperatur zu erkennen, dass der Aluminium-Polymer-Kondensator eine deutlich höhere Lebensdauer besitzt.

Bild 7: Übersicht über die zu erwartende Lebensdauer von Aluminium-Elektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensatoren. Würth Elektronik

Lediglich bei Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit einer hohen spezifizierten Lebensdauer bei der maximal spezifizierten Bauteiltemperatur tritt der Schnittpunkt, wann der Aluminium-Polymer-Kondensator eine höhere Lebensdauer hat, später ein. Diesen Schnittpunkt (Bild 7) wird es früher oder später aber immer geben. Abgesehen von diesem Vorteil müssen natürlich noch weitere Parameter der Kondensatoren verglichen werden. Es kann durchaus sein, dass die zu erwartende Lebensdauer in einem speziellen Anwendungsfall gleich ist, aber der bessere ESR und ESL entscheidend für die Applikation ist.

(il)