濾波電容在嵌入式應(yīng)用中的選擇

引言

　　為微處理器系統(tǒng)中的能量存儲/傳輸處理選擇體去耦電容是一件復(fù)雜的事情，由于強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的物理尺寸，處理器制造商一般只規(guī)定滿足器件能量轉(zhuǎn)換要求所需要的電容量，而不考慮為適合的電容排列留置的可用空間。嵌入式單板計(jì)算機(jī)中所用的處理器還要求更高的電容充放電性能，從而要求一個低的時間常數(shù)。

　　隨著電容制造向更小型化封裝應(yīng)用的繼續(xù)推進(jìn)，一種高電容量、低ESR及低電壓應(yīng)用的理想方案是3-D多陽極涂層（conformal coated）片式電容。

　　高電容量和低ESR技術(shù)

　　有多種技術(shù)已可實(shí)現(xiàn)單位體積電容量的優(yōu)化。例如，涂層片式鉭電容技術(shù)，該技術(shù)去除了常規(guī)模壓固體鉭電容的引線框結(jié)構(gòu)，同時這種類似于半導(dǎo)體特殊封裝的技術(shù)大大降低平均尺寸。

　　Vishay已經(jīng)開發(fā)了涂層鉭片式技術(shù)，用于滿足NASA要求的電容使用。這些產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)模壓表面安裝鉭電容(SMD)的容積效率。不過設(shè)計(jì)師們還需要使ESR最小化，而這一要求刺激了多種候選方案。

　　Polymer鋁電容

　　Polymer鋁電容具有非常低的ESR，在10 m 或更小的范圍，它填充了高電容量多層陶瓷電容(MLCC)和鉭聚合物電容之間的應(yīng)用空間。不過，盡管它們滿足了濾波應(yīng)用中所需的ESR要求，但它們的容積效率通常要比鉭技術(shù)小很多。在組裝空間十分珍貴的應(yīng)用中，這種技術(shù)必須讓位于其它技術(shù)如鉭式技術(shù)等。

　　固體鉭電容

　　固體鉭電容有標(biāo)準(zhǔn)和低ESR兩種類型。兩種類型均采用通常的引線框結(jié)構(gòu)制作。固體鉭低ESR類型所具有的ESR值100 KHz 時在100 m 范圍。
由于ESR值取決于陽極的外表面，因此較大的外形尺寸一般都擁有較低的ESR值。固體鉭電容方面大量的粉末研制工作產(chǎn)生了新的更低水平的ESR值。另外浪涌電壓方面也得到改進(jìn)使固體鉭技術(shù)功能更強(qiáng)大。

　　Polymer鉭電容

　　Polymer鉭電容運(yùn)用了新式高導(dǎo)電性的聚合物。高導(dǎo)電性聚合物用于陰極而非二氧化錳。聚合物陰極在導(dǎo)電率上的改善帶來更低的阻抗和更低的ESR。低阻抗還帶來優(yōu)異的高頻濾波響應(yīng)。Polymer鉭電容技術(shù)擁有最低的ESR，大大低于相近尺寸的常規(guī)固體鉭電容。事實(shí)上，引線框結(jié)構(gòu)主要制約給定外形尺寸下可用電容量。

　　多陽極鉭電容

　　現(xiàn)今，高容積和低ESR的雙重要求正在由一種3-D的封裝方式來解決，它是一種多陽極鉭電容，該結(jié)構(gòu)去除了常規(guī)的引線框。此結(jié)構(gòu)在小型化SMD封裝下取得了高電容量，并可以與常規(guī)模壓鉭器件引腳兼容。重要的是，該技術(shù)取得了非常低而穩(wěn)定的ESR。

　　多陽極電容的主要電性能、機(jī)械參數(shù)包括：

　　高電容：一般>1000 F

　　工作溫度范圍內(nèi)非常低而穩(wěn)定的ESR

　　低電感

　　寬的額定電壓范圍：4V、6.3V及10V

　　低DCL < 60 A

　　小尺寸、低厚度3D片式封裝

　　無引線框

　　標(biāo)準(zhǔn)引腳，與常規(guī)模壓鉭電容尺寸兼容

　　體去耦電容應(yīng)用

　　當(dāng)今大量的嵌入式控制器是采用一種單板計(jì)算機(jī)(SBC)建立的。主導(dǎo)性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是PC/104，它規(guī)定了3.8” x 3.6”的形狀系數(shù)。新的更小的專有規(guī)格也在涌現(xiàn)，特別是基于16位和32位處理器的SBC。此外，PC/104 SBC還必須做到多個PC/104板的stack-through(堆疊嵌入)連接，以充分利用4.0mm(0.16”)的最大安裝元件高度。

　　有相當(dāng)數(shù)量的設(shè)計(jì)師還傾向于用一個微控制器或微處理器加選定外圍元件，做自己的定制嵌入式控制器方案。這些方案或許可以在PCB上直接實(shí)現(xiàn)，同普通SBC一樣也受到壓縮空間的限制。

　　所以，材料和封裝結(jié)構(gòu)必須做到使一個電容適合裝入CPU和芯片組之間的十分小的空間，而不超出嚴(yán)格的高度限制。

　　功率要求通常由微處理器或微控器制造商根據(jù)電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)而制定。大多數(shù)系統(tǒng)根據(jù)一個能提供多個電壓值的同步降壓轉(zhuǎn)換器建立。通常，它們將提供 1.5～1.8V、3.3V及5.0V的電壓，分別給處理器核心、處理器與芯片組I/O，以及通用板上各個基礎(chǔ)電單元。處理器核心電壓或VCORE，通常是選擇低ESR體電容時的一個主要難點(diǎn)。

　　對合適電容技術(shù)的評估

　　分析處理器制造商對有關(guān)核心電壓的推薦建議，例如為VCORE指定一個適合的濾波電容。要求1.5 V核心電壓的新式處理器，其例舉要求如下：

　　輸出電壓=1.5 V～1.8 V

　　輸出紋波電壓=輸出電壓的2%

　　輸出電流> 14 A

　　輸出濾波電容= 3900 F/4V, ESR< 3 m

　　調(diào)查該新封裝技術(shù)的效果，對前面描述的電容技術(shù)進(jìn)行了評估，以確定作為一種PC/104SBC用整體輸出濾波電容在板布局、元件高度、電氣性能方面的最佳技術(shù)。不過，由于現(xiàn)有鋁電解電容超出了4.0mm (0.16”)的最大高度，因此被排除在外。

　　通觀各電容技術(shù)以確定印刷電路板(PCB)上最小總引腳、具有最低的ESR，同時滿足高度限定的實(shí)現(xiàn)方案。下面整理了一個包含Vishay所有技術(shù)選項(xiàng)的綜合表(見表)。

　　表1（略）

　　雖然Polymer鉭電容具有很好的ESR，但總體電容值需求要求更多的單個貼裝電容。為取得必需的體電容量，需要18個255D 系列的330 F，占用板空間總量為558 mm2 (0.88 inch2)。這大大高于4個Vishay 597D多陽極鉭電容構(gòu)成的排列。

　　多陽極技術(shù)以最小占用空間、擁有最好的ESR，被選擇用于此應(yīng)用。4個多陽極597D并聯(lián)安裝在板上，占用面積124mm2 (0.19 inch2)。這產(chǎn)生了與其它技術(shù)相比更好的容積效率。并聯(lián)電容布置的ESR < 3 m ，滿足目標(biāo)應(yīng)用要求。