目前,为了确保数码设备使用的低电压及高速运转的半导体电源线的稳定性,需要控制由纹波电压及负载变动引起的电压变动。作为平滑用电容器,必须要达到100μF以上容量及低阻抗,此前市场的解决方案主要是使用导电性聚合物电解电容器。村田这次扩充了100μF以上的多层陶瓷电容器产品阵容,可以取代导电性聚合物电解电容器。
虽然多层陶瓷电容器的容量比导电性聚合物电解电容器要低,但仍然具有很强的可替代性。这是因为多层陶瓷电容器的阻抗及ESR很低,应对电压变化反应良好。图5是代表性的导电性聚合物钽电解电容器和多层陶瓷电容器的阻抗,ESR-频率特性。数码设备使用的电源IC开关频率在100kHz以上,从图中可以看出,相对于导电性聚合物钽电解电容器,多层陶瓷点容易不仅和它具有相同容量,而且容量比它低的产品,阻抗和ESR也很低。
此外,在谐振频率为高频时,与导电性聚合物钽电解电容器相比,多层陶瓷电容器的阻抗非常低,对高频静噪非常有用。
图5.阻抗/ESR-频率特性比较
村田使用PC上DDR用电源IC的评估基板进行了替换评估,评估电路及评估结果如图6所示。评估基板使用1.4V直流电压,初始状态下在2处使导电性聚合物钽电解电容器(7.3x4.3mm尺寸/2.0V/330μF/M偏差)作为平滑用电容器。然后,使用150μF及200μF(3.2x1.6mm尺寸/6.3V/M偏差)的多层陶瓷电容器替换导电性聚合物钽电解电容器,对纹波电压/尖峰电压、负载变化时的电压变化进行评估。本次评估已事先调整相位,确保了评估基板的稳定性。
图6.导电性聚合物钽电解电容器替换评估结果
从图中可以看出,使用多层陶瓷电容器时,虽然其标称容量值比导电性聚合物钽电解电容器低,但的确能改善纹波电压。这是因为开关频率处的多层陶瓷电容器阻抗及ESR很低,控制了由开关频率产生的电压变动,改善了纹波电压。此外,对于尖峰电压同样有改善作用。这是由于多层陶瓷电容器的ESL很低,控制了高频噪声,改善了尖峰电压。
但是,在电流变化很大的负载变动测试中,使用150μF多层陶瓷电容器时,电压变动结果并不理想。这与负载变动测试对电容器施加电压时的有效容量有关。测试所用的多层陶瓷电容器的标称容量值比导电性聚合物钽电解电容器低,DC偏压特性导致有效容量值更低,因此测试结果不理想。但是,用了容量较大的220μF产品,就能改善负载变动测试的评估结果。
由于低电压驱动的半导体十分普及,作为提供直流电源的电源IC的平滑用电容器,一般会使用具备大容量、低ESR特性的导电性聚合物电解电容器,但随着使用此类产品的服务器等设备对小型化、长期可靠性等性能越发重视,对平滑用电容器也产生了同样的要求。村田十分看重具备小型化、高可靠性,且有更低阻抗/低ESR/低ESL特性的100μF以上的多层陶瓷电容器的发展。如今市场交易很活跃,相信村田今后产品阵容的扩大将有助于电子设备市场的发展。