Wann Polymer-Kondensatoren MLCC ersetzen können

Für den steigenden Verbrauch von Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC) sorgen nicht nur Mobiltelefon und Auto, sondern auch weitere Anwendungsbereiche wie beispielsweise IoT, Netzwerktechnik und Digitalisierung. Denn Kondensatoren mit hoher Zuverlässigkeit, langer Lebensdauer, stabiler Leistung und niedrigem ESR (Ersatzserienwiderstand) zu geringen Kosten sind derzeit gefragt. Mittlerweile weicht die global verfügbare Produktionskapazität immens vom eigentlichen Bedarf des Elektronikmarktes ab. Um diesen Bedarf weiterhin zu decken, gilt es nach alternativen Bauteilen zu suchen.

Kondensatortypen im Vergleich

Die Auswahl eines geeigneten Kondensators spielt beispielsweise eine wichtige Rolle bei der Auslegung von Schaltspannungswandlern. So lassen sich in den Ein- und Ausgängen von DC/DC-Wandlern verschiedene Arten von Kondensatoren verwenden. Dazu zählen Elektrolytkondensatoren, Aluminium-Polymer-Feststoffkondensatoren (OS-CON), Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren (SP-Cap), Tantal-Polymer-Feststoffkondensatoren (POS-Cap), Filmkondensatoren und Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (MLCC). Welcher Kondensator hinsichtlich Leistung und Charakteristik am besten passt – ob MLCC, Aluminiumelektrolyt, Polymer oder Tantal – bestimmt in der Regel die Anwendung.

Eine allgemeine Differenzierung lässt sich dennoch vornehmen: Während Elektrolytkondensatoren die größte Kapazität bereitstellen, erfahren sie eine signifikante Verschlechterung der Kapazität und des Leckstroms bei höheren Temperaturen und Frequenzen. Keramikkondensatoren hingegen haben einen sehr niedrigen ESR und ESL (Ersatzserieninduktivität). Damit eignen sie sich ideal für kurzzeitige Leistung, besitzen jedoch Einschränkungen hinsichtlich höherer Kapazitäten. Auch wenn sie bei sehr hohen Rippelströmen arbeiten können, leiden ihre Eigenschaften mit dem Alterungsprozess und sie benötigen niedrigere elektrische Einsatzbereiche.

Bild 1: MLCCs weisen eine ähnlich stabile Kapazität wie Polymerkondensatoren hinsichtlich Änderung über einen weiten Frequenzbereich auf, haben aber nicht dieselbe Kapazitätsdichte. Panasonic

Polymer-Elektrolytkondensatoren finden hauptsächlich in Stromversorgungen integrierter elektronischer Schaltungen als Puffer-, Bypass- und Entkopplungskondensatoren Verwendung. Insbesondere eignen sie sich für sehr flache und kompakt gebaute Geräte. In dieser Hinsicht konkurrieren sie mit MLCC-Kondensatoren, bieten jedoch höhere Kapazitätswerte als diese und weisen keinen mikrophonischen Effekt wie Keramikkondensatoren der Klasse 2 und 3 auf.

Wegen ihres niedrigen ESR und ESL sowie geringer Kosten zählen MLCCs zu den am häufigsten verwendeten Kondensatoren in DC/DC-Wandler-Eingangs- und Ausgangsfiltern. Dennoch birgt ihre Nutzung in diesen Applikationen einige Nachteile.

Polymerkondensatoren vs. MLCCs

Aufgrund ihrer kleinen Maße sowie der kubischen Form eignen sich Polymer-Elektrolytkondensatoren für den Ersatz von MLCCs. Sie bieten darüber hinaus wesentliche Vorteile gegenüber MLCCs.

Bild 2: Polymerkondensatoren werden nicht vom DC-Bias-Effekt beeinflusst, MLCCs hingegen sehr stark. Panasonic

Polymerkondensatoren zeichnen sich genauso wie herkömmliche Aluminiumelektrolytkondensatoren durch eine hohe Kapazität und gute Bias-Eigenschaften aus, bei denen MLCCs nicht mithalten können. Während beide eine ähnlich stabile Kapazität hinsichtlich der Änderung über einen weiten Frequenzbereich aufweisen, erreichen MLCCs jedoch nicht die gleiche Kapazitätsdichte wie Polymerkondensatoren (Bild 1). Zudem zeigt der MLCC eine starke Kapazitätsabhängigkeit von DC-Bias aufgrund seiner ferroelektrischen dielektrischen Materialien. So variiert die Kapazität dieser Bauteile abhängig von der angelegten Gleichspannung, was zu einem Kapazitätsabfall von über 70 Prozent im Vergleich zu den im Datenblatt angegebenen Spezifikationen führen kann. Bei Polymerkondensatoren hingegen ändert sich die Kapazität nicht wesentlich mit der Spannung der Applikation (Bild 2). Dadurch lässt sich die Anzahl der Teile signifikant reduzieren, was nicht nur Platz auf der Leiterplatte, sondern auch Kosten im Einkauf und in der Fertigung spart.

Auch die ESR-Werte der Polymerkondensatoren sind extrem niedrig. Zudem ermöglichen strukturelle Verbesserungen einen niedrigen ESL, der durch die innere Struktur und die Anschlusskonfiguration der Kondensatoren bestimmt wird. Des Weiteren sind Polymerkondensatoren sehr widerstandsfähig gegen ein Austrocknen des Elektrolyten während der Betriebsdauer oder das Ändern ihrer elektrischen Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen.

Bild 3: Bei Polymerkondensatoren wächst die Kapazität mit dem Temperaturanstieg, MLCCs benötigen eine niedrigere Betriebstemperatur. Panasonic

Parallel zum Temperaturanstieg wächst hier die Kapazität. Die Temperaturcharakteristiken von MLCCs unterscheiden sich je nach Typ. Alle jedoch versagen mit fortschreitendem Alter, da sie temperaturabhängig sind und eine niedrigere Betriebstemperatur benötigen (Bild 3). Aufgrund ihrer spröden Eigenschaften müssen Entwickler zudem Vorkehrungen treffen, um eine Rissbildung während der Montage insbesondere bei größeren Modellen zu vermeiden. Der typische Temperaturbereich für MLCCs liegt zwischen -40 bis +85 °C oder 125 °C, wobei die Kapazität dann zwischen +5 Prozent bis -40 Prozent schwankt. Die Idealtemperatur beträgt 5 bis 25°C. Polymerkondensatoren hingegen haben aufgrund ihrer Funktionsweise und des Materials ein großes Entwicklungspotential, um höhere Werte für Dichte, Feldspannung und Temperatur zu erreichen, letztere ist derzeit auf 125 °C begrenzt.

Ein weiterer Nachteil von Keramikkondensatoren besteht darin, dass die meisten Dielektrika sogenannte piezoelektrische Effekte aufweisen. Diese können in bestimmten Schaltungen zu elektrischem Rauschen führen, was auch als MLCC-Akustikrauschen oder Sing-Geräusch bekannt ist. Dieses tritt insbesondere bei mehreren MLCCs auf, die auf einer Leiterplatte gelötet sind.

Abhängig vom Anwendungsbereich

Die verschiedenen Merkmale der Kondensatoren zu vergleichen ist nur zum Teil sinnvoll. Denn nicht alle Kondensatortypen eignen sich für die diversen Anwendungsbereiche in demselben Maß. So ist es beim tatsächlichen Entwurf von Schaltungen notwendig, zusätzlich zu den Eigenschaften weitere Faktoren wie Kosten und Größe zu berücksichtigen, etwa bei begrenztem Platz. Hier eignen sich Allzweck-MLCCs in der Regel am besten. Zudem sind MLCCs auch der Favorit für Anwendungen, wo diese mit sehr hohen Spannungen arbeiten müssen, denn sie verfügen über eine hohe Spannungsfestigkeit und die Fähigkeit, Rückwärtsspannungen zu widerstehen.

Bild 4: Ersatz-Beispiel für MLCCs durch einen Polymerkondensator in einer DC/DC-Schaltung. Panasonic

Typische Polymerkondensatoren gelten als gute Wahl, wenn sowohl eine höhere Kapazität als auch ein niedriger ESR wichtig sind. Insbesondere beim Ersetzen mehrerer zusammengeschalteter MLCCs durch einen oder zwei Polymerkondensatoren lassen sich sowohl Platz einsparen als auch Kosten reduzieren. Dies macht vor allem bei Neuentwicklungen und anstehenden Re-Designs Sinn. So können sich beispielsweise beim Design von PCBs die Kosten- und Platzeinsparungen beim Einsatz von einem einzelnen Polymerkondensator statt mehrerer äquivalenter MLCCs stark unterscheiden.

Für den Ersatz von MLCCs durch Polymerkondensatoren lassen sich also folgende Zielvorgaben definieren: Spannungslinien von 16 bis 35 V, eine Kapazität zwischen 47 μF bis 560 μF, wobei eine hohe Kapazität zu den Stärken des Polymerkondensators zählt und Entwickler diese möglichst hoch wählen sollten, sowie vorzugsweise B-&-D-Gehäusegrößen.

Den passenden Ersatz finden

Auf der Suche nach einem geeigneten Polymerkondensator steht Schukat unterstützend zur Seite. In einem Formular, das der Distributor bereitstellt, können Entwickler die wesentlichen technischen Daten ihrer MLCC-Applikation angeben. Daraufhin erhalten sie direkt vom Distributor in Zusammenarbeit mit Panasonic Vorschläge für einen passenden Ersatz. Als einziger Hersteller führt Panasonic vier verschiedene Varianten an robusten, langlebigen und sicheren Polymerkondensatoren im Programm, einschließlich Chip- und Can-Typen (SMD und THT), die über Schukat erhältlich sind. Die Lösungen beginnen bei einem eins-zu-eins-Ersatz ab Bauform 1206.

(prm)