MERKMALE & APPLIKATIONEN POLYMER DÜNNSCHICHT KONDENSATOR “PML CAP”

PML CAP

Der Polymer Multi-Layer Kondensator (PML CAP) ist ein SMD Kondensator mit einer großen

Anzahl von Metalldampf-Polymer Lagen welche durch Metallablagerungen am Polymerfilm

miteinander verbunden werden.

Der PML CAP wurde basierend auf Rubycons patentierter Vakuum Technologie entwickelt und

ermöglicht eine drastische Miniaturisierung im Vergleich zu herkömmlichen Filmkondensatoren.

MERKMALE

Aufbau und Ersatzschaltbild

Die primäre Ansicht und Konstruktion des PML CAP sind in den Bild 1 und Fig. 1 dargestellt.

Das Äquivalent Ersatzschaltbild ist in Fig. 2 dargestellt wobei “Rd” und “Cd” die

dielektrische Absorption darstellen welche in den meisten Applikationen vernachlässigt

werden kann.

(a) Größe: 5750 (b) Größe: 4532 (c) Größe: 3225

Foto 1 Ansicht PML CAP (Einheit: mm)

Externer Anschluss Laminat Lagen Externer Anschluss

Dielektrikum: ausgehärtetes Harz

Interne Elektrode: aufgedampftes Aluminium

Bild 1 Aufbau des PML CAP

Bild 2 elektrisches Ersatzschaltbild

Aufgrund der dünnen Filmschicht welche durch eine spezielle Vakuumtechnologie ermöglicht

wird ist die Größe des PML CAP um einen Faktor 10 kleiner als herkömmliche

Filmkondensatoren.

Elektrische Spezifikation

Die Spezifikation des PML CAP ist der Tabelle 1, der Vergleich mit anderen SMD

Kondensator Technologien Tabelle 2 zu entnehmen.

Die elektrischen Eigenschaften entsprechen denen von Polyester Filmkondensatoren.

Der PML CAP weist zahlreiche Vorteile gegenüber Multi-Layer Keramik Kondensatoren

(MLCC) auf, wie z.B. geringes Rauschen, geringere dielektrische Verluste und kein DC-Bias

da PMLCAP keinerlei piezoelektrische Effekte aufweist.

Tabelle 1 Spezifikation des PML CAP

Wert Spezifikation

Kapazitätstoleranz ±20% (M)

Verlustfaktor (tan δ) ≤1.5%

Spannung Überspannungserlaubnis bis zu 150% der

Nennspannung für 1 Minute, bzw. max. 175% bei

einer Dauer von 1 bis 5 Sekunden.

Isolationswiderstand 300MΩ･µF

LESL: Äquivalente Serieninduktivität

RESR: Äquivalenter Serienwiderstand

Rp: Isolationswiderstand

Rd: Dielektrische Absorption

Cd: Dielektrische Absorption

C: Kapazität

Vernachlässigbar

Für die meisten Applikationen irrelevant

Tabelle 2 Vergleichstabelle PML CAP vs. SMD Kondensatoren

Kondensator PML CAP Film Multi-Layer Keramik

MLCC

Dielektrikum UV gehärtetes Harz

(Acryl)

Harz Film

(PEN, PPS)

Keramik mit hoher

Dielektrizitätskonstante

(BaTiO3)

Dicke des

Dielektrikums

<1µm/Lage ≥3 µm/Lage <1µm/Lage

Dielektrische

Konstante

~ 3 ~ 3 2,000 – 5,000

Interne Elektrode Aufgetragenes Al Aufgetragenes Al Nickel Paste

Nennspannung 16 – 63VDC 10 – 250VDC 2.5 – 3,150VDC

Kapazität 0.1 – 22µF 0.001 – 1 µF 68p – 100 µF

Temperaturbereich -55 – +125°C -55 – +125°C -55 – +150°C

(X8R)

Größe Mittel Groß Klein

Merkmale Geringstes Rauschen und exzellente DC Bias Charakteristik (keine piezoelektrischen Effekte)

Geringeres Rauschen als MLCC und exzellente DC Bias Charakteristik (keine piezoelektrischen Effekte)

Schlechte DC Bias Eigenschaften aufgrund piezoelektrischer Effekte.

Temperaturbeständigkeit

PML CAP verwendet ein spezielles Harz als Dielektrikum welches erst ab über 300°C

thermisches Gewicht verliert und dadurch extreme geeignet für hohe Temperaturen ist.

ELEKTRISCHE SPEZIFKATION

Die elektrische Charakteristik des PML CAP im Vergleich mit Keramikkondensatoren

Impedanz – Frequenz Verhalten

Bild 3 zeigt das Verhalten von Impedanz und elektrischem Serienwiderstand (ESR) über der

Frequenz

Frequenz / kHz

Bild 3 Impedanz/ESR über Frequenz

PML CAP hat sehr kleine ESR sowie ESL Werte und ist damit mit MLCCs vergleichbar.

DC-Bias Charakteristik

DC-Bias ist wichtig für Durchführungs- sowie Koppelkondensatoren.

Bild 4 zeigt dass PML CAP keine von DC-Spannung abhängige Kapazitätsänderung

aufweisen da es keinerlei piezoelektrische Effekte gibt. Dies ist ein wesentlicher Unterschied

und Vorteil gegenüber MLCCs.

Beispiel: Ein MLCC mit 50V Nennspannung ist zwar, bei gleicher Kapazität, im kleineren

Gehäuse als ein PMLCAP verfügbar, aber um bei z.B. 25V mit der gleichen Kapazität wie der

eines PMLCAP zu arbeiten müsste man einen entsprechenden MLCC in größerer Bauform

wählen.

Bild 4 Kapazität vs. DC Bias Spannung

Temperatur Charakteristik

Das Temperaturverhalten welches für Eingangs- und Filterkondensatoren wichtig ist wird in

Bild 5 von -55°C bis +125°C dargestellt.

Imp

eda

nce

or

ES

R /

Ω

Bild 5 Kapazität über Temperatur

Rauschunterdrückung

Die Rauschcharakteristik, z.B. essentiell für viele geräuschempfindliche Anwendungen (z.B.

Audio, …) ist in Bild 6 (a) & Bild 6 (b) dargestellt. Gezeigt wird das Rauschen bei 1.4kHz und

3Vpeak. Der Unterschied zwischen PML CAP und MLCC beträgt -20dB, was wiederum

bedeutet dass der PML CAP eine um das 10-fache bessere Performance als MLCCs aufweist.

Bild 6 (b) zeigt das Rauschverhalten wenn der Kondensator in der Anwendung einer LCD

Hintergrundbeleuchtung verwendet wird. Das Rauschen eines MLCC beginnt ab 1kHz

dramatisch aufgrund des piezoelektrischen Effekts anzusteigen. Das Rauschen der PML

CAPs ist eindeutig niedriger und speziell bei höheren, von Menschen hörbaren Frequenzen,

im Bereich von 1kHz bis 10kHz ist diese Performance wünschenswert.

Bild 6 (a) Rauschen bei 1.4kHz und 3Vp

Frequenz / kHz

Bild 6 (b) Rauschverhalten bei LCD Hintergrundbeleuchtungs-Anwendungen

Dielektrische Absorption

Dielektrische Absorption entsteht durch verlangsamte Polarisierung des Dielektrikums.

Bild 7 zeigt die dielektrische Absorption im Vergleich PML CAP zu MLCC. Die dargestellten

Werte entsprechen den größten Messwerten, unabhängig von der Zeit, wobei der JIS

Standard eine Messung nach 5 Minuten definiert.

Bild 7 Dielektrische Absorption

Die dielektrische Absorption des PML CAP entspricht dem Verhalten nach Polyester

Filmkondensatoren wobei diese Technologie den der MLCCs überlegen sind.

Ohne Berücksichtigung der Baugröße weisen einzig PP Filmkondensatoren ein etwas

besseres Verhalten auf. Allerdings bietet einzig der PML CAP gleichzeitig eine

miniaturisierte Bauform an.

Sou

nd

Pre

ssu

re L

evel

/ d

B

Die

lect

ric

Ab

sorp

tion

/ %

High-permittivity (X7R)

Ideal for loop filter due to less dielectric absorption

PML CAP hat geringstes Rauschen im mittleren F-Bereich.

Selbstheilung

Im Falle einer Überspannung am PML CAP wird die Isolierung durch einen

Selbstheilungsprozess automatisch wiederhergestellt. Dies geschieht durch Hitze aufgrund

von verstärkten Stromflusses und folgende Oxydation, Wiederherstellung der Metallschicht.

Die Eignung zur Selbstheilung ist höher bei Kondensatoren desto geringer der aufgetragene

Film und desto höher der Ablagerungswiderstand ist. Dies macht den PMLCAP zu einem

extrem sicheren Produkt.

Foto 2 zeigt das Ergebnis der Selbstheilung eines PML CAP nach einem herbeigeführten

internen Kurzschluss. Foto 2 (a) zeigt die Impulsverlaufsform (186Vpeak für 1ms). Foto 2 (b)

stellt den Spannungsverlauf zwischen den beiden PMLCAP Terminals dar, wobei der Impuls

über einen 2Ω zugeführt wird. Dabei kann der Selbstheileffekt beobachtet werden.

Nach einem Kurzschluss sollte der Kondensator dennoch alsbald ersetzt werden da der

Isolationswiderstand nach der Selbstheilung kleiner als der Originalwert ist.

(a) Pulsform (b) Selbstheilungseffekt

Foto 2 Selbstheilungen nach Überspannungsimpuls

Wechselstrombelastbarkeit

Bild 8 zeigt Beispiele vom zugelassenen Rippelstrom für PMLCAPs

Bild 8 zugelassener Wechselstrom des PML CAP

Breakdown

Selbstheilung

Charakteristik des niedrigen Leckstroms

Das von PMLCAP verwendetet Dünnschicht Plastikfilm Dielektrikum weist im Vergleich zu

sämtlichen anderen Technologien extrem niedrige Leckströme auf. Siehe Vergleich Bild 9

(16v 22uF)

Bild 9 Vergleich Leckstrom

TYPISCHE APPLIKATIONEN

Typische Applikationen für den PML CAP umfassen akustische Anwendungen zur

Verwirklichung von höchster musikalischen Qualität, Durchführungskondensatoren für

Stromversorgungen, Anwendungen mit Bedarf an Rauschunterdrückung sowie PLL (Phase

Lock Loop) aufgrund der geringen dielektrischen Absorption sowie für

Energiespeichersysteme aufgrund des niedrigen Leckstroms.

Audio Anwendungen

Bild 10 zeigt ein Beispiel eines Class-D Verstärkers. Der PML CAP wird hierbei als

DC-Koppelkondensator und im Ausgangsfilter eingesetzt. Die Qualität der Musikwiedergabe

speziell im mittleren und hohen Frequenzbereich wird dadurch deutlich verbessert. Die

Verwendung des PML CAP im Ausgangsfilter hilft die Filtereigenschaften zu stabilisieren da

die Kapazitätsänderung sehr gering ausfällt.

Bild 10 Applikationsbeispiel: Class D Verstärker

Die Ergebnisse von THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise) wurden mit einem gängigen

Class-D Verstärker gemessen und sind in Bild 11 dargestellt.

Der PML CAP 35V 1µF (3.2x2.5x1.4mm) sowie MLCC 50V 1 µF (X7R, 3.2x2.5x1.8mm)

wurden alternativ zum originalen PP Filmkondensator (630V 0.47µF, 17.5x18.0x9.0mm) für

diese Messungen eingebaut.

Eingangssignal Class D Verstärker

Verbesserter Sound mit PMLCAP am

Eingang

PMLCAP im Ausgangsfilter verbessert die Filter Performance

Bild 11 (a) THD+N eines Film Kondensators

Bild 11 (b) THD+N des PML CAP

Bild 11 (c) THD+N eines MLCC

Die Ergebnisse belegen dass PML CAPs mit Filmkondensatoren vergleichbar und deutlich

besser als MLCCs arbeiten.

Treiber für LED Hintergrundbeleuchtung

Aufgrund des Dünnfilm-Dielektrikums des PML CAP und der nicht vorhandenen

piezoelektrischen Effekte erreicht der PMLCAP eine extreme Rauschunterdrückung im

Vergleich zu MLCCs. Diese Eigenschaft ist ideal für Durchführungskondensatoren von

Stromversorgungen mit hoher Wechselstrombelastbarkeit geeignet.

Bild 12 zeigt PML CAPs in einem DC-DC Konverter für LED Hintergrundbeleuchtungen

Da diese Anwendungen PWM (Pulse Weiten Modulation) im hörbaren Frequenzbereich

verwenden, erzeugen MLCC ein unangenehmes, ungewünschtes Rauschen welches es zu

vermeiden gilt.

Bild 12 zeigt einen Boost Konverter wobei der PML CAP als Durchführungskondensator für

den Eingang und Ausgang verwendet wird.

Bild 12 Treiber für eine LED Hintergrundbeleuchtung (Ein- Ausgangskondensator)

Filter für PLL (Phasenregelkreis)

Bild13 zeigt eine typische PLL Applikation. Der PML CAP reduziert die “Lockup Time”

(Frequenz Wechselzeit) drastisch aufgrund der niedrigen dielektrischen Absorption im

Vergleich zu MLCCs.

Bild 13 PLL Synthesizer

Rauschunterdrückung Am Ein- und Ausgang

LED Treiber (Booster)

Temperature Kompensation Keramik Kondensator

Reduktion der Einrast-Zeit (Lock-Up)

durch PMLCAP

Datum Eingang Frequenz

Ausgang

Divider

Phase Comparator

Spannungs regler

Oscillator

Energie Speicherung

PMLCAP besticht durch extreme niedrige Leckströme, kleine Bauformen sowie größerer

Kapazität im Vergleich zu konventionellen Film Kondensatoren.

Aufgrund dieser Performance ist der PMLCAP ideal geeignet für Energy-Harvesting

Anwendungen welche bereits die geringsten Mengen an Energien speichern um keine Energie

ungenutzt zu lassen (Fig. 14)

Fig. 14 Energy Harvesting System

Dieses Dokument wurde modifiziert und entspricht dem Artikel aus Transistor Technology Vol. 8,

2010 (CQ Publishing Co., Ltd.)