将多个分立电容集成到固态器件中

无论是物联网数据服务器还是数据中心，电源系统设计人员都面临着获得更大功率密度和提高转换效率的压力。尽管半导体开关器件在取得这些进步方面受到了很多关注，但电容器也可能是帮助工程师满足能量存储、滤波、调平和调谐需求的重要设计组件。

然而，电容器的发展并没有跟上半导体领域的变化，甚至没有跟上多层陶瓷电容器 （ MLCC ） 等领先技术。MLCC 是由交替的金属电极层和陶瓷电介质层组成的单片电子器件。在制造 MLCC 的层压层期间使用高温来创建烧结的、体积有效的电容装置。然后在暴露端加入导电终端屏障以完成连接。

Empower 半导体（Empower）在认识到传统电容器的缺点后，开发了自己的 220nF 电容器技术 （E-CAP） 来补充其集成稳压器（IVR） 系列。Empower 销售和营销高级副总裁 Steve Shultis 在接受 Power Electronics News 采访时讨论了 E-CAP 的优势如何让公司从 IVR 系统的进步中获利。“E-CAP 将各种分立电容组合成一个固态元件，”他说。“为了利用其卓越的性能、尺寸、可配置性、耐用性和稳定性，Empower 现在在许多困难的应用领域提供 E-CAP 硅电容器解决方案。

“我们花了很多时间意识到，当我们四年前开发初始 IVR 平台时，即使是性能最高的陶瓷电容器也无法维持第一代 IVR 的 100-MHz 或 200-MHz 开关频率， “ 他加了。“因此，我们意识到我们需要一些新的东西，并且与我们的合作伙伴台积电一起，我们找到了一种利用这项技术的技术，并成为了设计它的专家。我们正在沿着一条与 IVR 一样涉及电源管理且以前没有考虑过的路径移动它。”

Empower 透露其合作伙伴是台积电，与台积电合作实施 E-CAP。“设计的知识产权是我们的，但通过台积电，你可以使用他们的工艺，因此你可以将知识产权应用到另一个工艺中，”舒尔蒂斯说。

上周，Empower Semiconductor 宣布已通过新技术扩展其 E-CAP 系列硅电容器，这些新技术在密度和性能方面提供了进一步的突破。最新的 E-CAP 解决方案提供 1.1 µF/mm 2的密度。除了密度，厚度水平可以达到总高度低于 50 µm。从 75 pF 到 5 µF（2 V 时）的多个匹配电容值可以集成到单个芯片中，以创建定制的集成电容器阵列。基于凸块、焊盘和支柱的封装选项允许设计人员根据特定的系统约束选择最佳解决方案（图 1 和图 2）。

图 1：与标准 MLCC 相比，基于 ECAP 的解决方案提供 》 5 倍的密度。（来源：赋能半导体）

E-CAP 技术

E-CAP 将多个电容器集成到单个固态器件中，提供硅的灵活性和效率。据 Shultis 称，该技术结合了增强的等效串联电感 （ESL） 和等效串联电阻 （ESR） 特性，可显着降低寄生效应，其电容器密度几乎是领先 MLCC 的 5 倍。

Shultis 强调了 E-CAP 技术实现小于 50 µm 厚度水平的能力，这非常适合支持需要高频操作和以最小外形尺寸实现最高效率的下一代数据密集型系统，以及物联网、可穿戴设备、移动和处理器领域，其中尺寸、性能和灵活性至关重要。E-CAP 解决方案可帮助设计人员降低 BoM 成本和电路故障风险。

“通过在给定区域中集成更多电容器，您可以在更小的区域中放置更多电容器，从而为低于 4 V 的一系列常见应用提供灵活性，”Shultis 说。“高压工作需要专门的处理和权衡。Empower 正在寻找潜在的新前景。”

图 2：E-CAP 与 MLCC（来源：Empower Semiconductor）

图 3：示例设计将 10 个 MLCC 替换为一个 E-CAP 芯片；满足超高密度应用的九个电容器要求的单芯片解决方案。（来源：赋能半导体）

此外，与 MLCC 不同，MLCC 需要多个设备来考虑电压、温度和老化的降额，E-CAP 对 AC 或 DC 偏置降额的要求很少或没有要求。因此，不再需要考虑降额的“超规格”电容。

“在使用 MLCC 时，需要进行计算以确定适当的温度、电压、直流额定值等，”Shultis 说。“由于电压、温度和年龄的低降额，E-CAP 不需要过度设计。为了证明这一点，我们可以引用我们在资质、可靠性和客户生产方面的出色表现。ESL 是另一个不可忽略的组件，这就是高性能去耦系统经常使用它的原因，因为只需要少量电感，并且由整个线路的电容器提供。有低电感的陶瓷电容器，但它们通常不能达到个位数的皮亨值，而且成本更高，因为它们是由高度定制和专业化的陶瓷制成的。”

图 4：Empower E-CAP 设计示例（来源：Empower Semiconductor）

图 5：MLCC 结构与硅沟槽电容器（来源：Empower Semiconductor）

结论

E-CAP 提供具有低至 15 pH 的超低 ESL 和 50 µm 封装高度的柔性电容器，可用于移动和可穿戴设备、数据中心服务器和物联网设备。E-CAP 由于其更好的频率响应和更强的 ESL，在高频下具有更低的阻抗。图 3 对比了两种实施方式：一种采用 E-CAP 代替高频电容器，另一种采用大量 MLCC 电容器来提高去耦解决方案的频率响应能力。根据结果，图 3 显示通过使用 E-CAP 可以减少 40% 的组件数量，同时将高频阻抗降低到传统基于 MLCC 的解决方案的一半。

“根据图 4，我们的路线图旨在提供多种选择；然而，随着我们与越来越多的客户和应用程序交谈，我们了解到相当大比例的市场对 200 nF 或 400 nF 的一般要求，”Shultis 说。“我们已经将一些第二代多电容型设计付诸实践。有 18 个电容器的最有可能成为常规产品：18 200-nF 电容器包含在易于使用的产品中，尽管阵列大约为 2 × 2 mm，间距为 400-µ，总电容为约 4.8 µF。因此，它可用于大多数 PCB 安装情况。第二代的厚度可以低于 50 µ。基板下侧的非常小的去耦电容器非常薄，可以安装在高度限制内，

Shultis 断言 E-CAP 电容器在磁场条件下使用是安全的，并且可以抵抗低频噪声（图 5）。“这对于一些使用 MLCC 陶瓷电容器的低频应用来说是一个挑战，”他说。“我们曾多次遇到这个问题。此外，陶瓷电容器焊盘上的镀镍使它们在医疗应用中使用起来很麻烦，因为它对磁场很敏感。”