《電子技術應用》
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濾波電容在嵌入式系統(tǒng)中的應用
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摘要: 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雜的事情,由于強調產品的物理尺寸,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。
Abstract:
Key words :

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雜的事情,由于強調產品的物理尺寸,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。嵌入式單板計算機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用的繼續(xù)推進,一種高電容量、低ESR及低電壓應用的理想方案是3-D多陽極涂層(conformal coated)片式電容。
高電容量和低ESR技術
  有多種技術已可實現(xiàn)單位體積電容量的優(yōu)化。例如,涂層片式鉭電容技術,該技術去除了常規(guī)模壓固體鉭電容的引線框結構,同時這種類似于半導體特殊封裝的技術大大降低平均尺寸。 Vishay已經(jīng)開發(fā)了涂層鉭片式技術,用于滿足NASA要求的電容使用。這些產品遠遠超過了常規(guī)模壓表面安裝鉭電容(SMD)的容積效率。不過設計師們還需要使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用空間。不過,盡管它們滿足了濾波應用中所需的ESR要求,但它們的容積效率通常要比鉭技術小很多。在組裝空間十分珍貴的應用中,這種技術必須讓位于其它技術如鉭式技術等。
固體鉭電容
  固體鉭電容有標準和低ESR兩種類型。兩種類型均采用通常的引線框結構制作。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生了新的更低水平的ESR值。另外浪涌電壓方面也得到改進使固體鉭技術功能更強大。
Polymer鉭電容
  Polymer鉭電容運用了新式高導電性的聚合物。高導電性聚合物用于陰極而非二氧化錳。聚合物陰極在導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。Polymer鉭電容技術擁有最低的ESR,大大低于相近尺寸的常規(guī)固體鉭電容。事實上,引線框結構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,該結構去除了常規(guī)的引線框。此結構在小型化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,該技術取得了非常低而穩(wěn)定的ESR。
  多陽極電容的主要電性能、機械參數(shù)包括:
  高電容:一般>1000 F ;
  工作溫度范圍內非常低而穩(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 ;
  標準引腳,與常規(guī)模壓鉭電容尺寸兼容
  體去耦電容應用
  當今大量的嵌入式控制器是采用一種單板計算機(SBC)建立的。主導性的工業(yè)標準是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。
  有相當數(shù)量的設計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,材料和封裝結構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。對合適電容技術的評估
  分析處理器制造商對有關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1.5V核心電壓的新式處理器,其例舉要求如下:
  輸出電壓=1.5V~1.8V;
  輸出紋波電壓=輸出電壓的2%;
  輸出電流>14A;
  輸出濾波電容=3900F/4V,ESR<3m
  調查該新封裝技術的效果,對前面描述的電容技術進行了評估,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。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現(xiàn)方案。下面整理了一個包含Vishay所有技術選項的綜合表。
  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330F,占用板空間總量為558mm2(0.88inch2)。這大大高于4個Vishay597D多陽極鉭電容構成的排列。
  多陽極技術以最小占用空間、擁有最好的ESR,被選擇用于此應用。4個多陽極597D并聯(lián)安裝在板上,占用面積124mm2(0.19inch2)。這產生了與其它技術相比更好的容積效率。并聯(lián)電容布置的ESR<3m,滿足目標應用要求。

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