Rozwiązanie problemu niedoboru kondensatorów

Niedobór kondensatorów MLCC

Utrzymujący się ogólnoświatowy niedobór kondensatorów MLCC oznacza trudną sytuację na globalnym rynku. Nic nie wskazuje na to, żeby problem z niedoborem zaopatrzenia skończył się wkrótce. Przyczyn tego stanu jest wiele.

Po pierwsze przemysł elektryczny rozwija się w szybkim tempie. Opracowywane są nowe technologie, a produkty konsumpcyjne są wymieniane coraz częściej, mając coraz krótszy cykl życia. Wiele produktów, takich jak samochody, zaczyna wykorzystywać inteligentne technologie, co zawsze sprowadza się do wykorzystywania większej liczby elektronicznych podzespołów, a co za tym idzie, większej liczby kondensatorów w każdym urządzeniu.

Z tego powodu najwięksi dostawcy kondensatorów MLCC osiągnęli granicę zdolności produkcyjnej i nie są w stanie produkować potrzebnej ilości kondensatorów. Większe firmy inwestują w rozwój kondensatorów o wyższej jakości, co może oznaczać, że ograniczą produkcję lub przestaną produkować standardowe kondensatory MLCC. Produkty, których produkcji zaprzestano lub których dostawy zostały ograniczone, to właśnie produkty, które są tak istotne dla mniejszych firm, skupiających się przede wszystkim na produkcji małoseryjnej.

Jednak wraz z wyczerpaniem się określonych możliwości pojawiają się inne. Dostawcy, tacy jak firmy KEMET i Panasonic Panasonic, opracowują kondensatory polimerowe jako alternatywę dla kondensatorów MLCC, aby sprostać oczekiwaniom rynku. Co więcej, te malutkie urządzenia są dzisiaj w stanie nie tylko zastąpić kondensatory MLCC, ale nawet poprawić wydajność w określonych zastosowaniach.

Kondensatory polimerowe jako alternatywa dla kondensatorów MLCC

Analizujac kondensatory polimerowe jako alternatywę dla MLCC, należy rozważyć, iż istnieją cztery powszechne typy, które pozwolą objąć większość przypadków zastosowań:

• Okrągłe kondensatory polimerowe aluminiowe
• Kondensatory polimerowe tantalowe
• Kondensatory hybrydowe polimerowe aluminiowe
• Warstwowe kondensatory polimerowe aluminiowe

Linia produktów jest uzupełniona przez kondensatory foliowe.

Poniższy przegląd przedstawia różne konstrukcje kondensatorów polimerowych.

Stabilny, mały i bezpieczny

Wszystkie cztery kondensatory mają pewne wspólne zalety:

• Stabilność: stała temperatura podczas pracy, stabilne napięcie wstępne DC, stabilna ogólna charakterystyka
• Rozmiar: 1 kondensator polimerowy może zastąpić wiele kondensatorów MLCC
• Bezpieczeństwo: w przypadku wystąpienia zwarcia w obwodzie kondensator polimerowy zwiększa bezpieczeństwo płytek obwodu drukowanego

Shahrokh Kananizadeh, kierownik ds. produktów kondensatorowych na Europę w firmie Panasonic, tak opisał swoje produkty:

Stała dielektryczna nie zmienia się przy zmianie napięcia – to główna zaleta kondensatorów polimerowych (kondensatorów SP). Z drugiej strony kondensatory MLCC są podatne na zniekształcenia strukturalne przy przyłożeniu napięcia DC, co zmniejsza ich ogólną niezawodność

Dlaczego więc kondensatory polimerowe nie zastąpiły jeszcze kondensatorów MLCC?

Po pierwsze, kondensatory MLCC są produktem prawdziwie uniwersalnym. Są bardzo wszechstronne i nadają się do większości zastosowań. Z drugiej strony kondensatory polimerowe nie są zamiennikami niewymagającymi przeróbek; ich zastosowanie musi być dokładnie określone. Jednak znalezienie odpowiedniego kondensatora polimerowego często owocuje lepszą, dłuższą i niezmienną pracą.

Główną wadą kondensatorów polimerowych jest ich polaryzacja. To automatycznie eliminuje je z zastosowań w jakichkolwiek obwodach, w których może wystąpić polaryzacja zaporowa lub sygnał zmiennoprądowy.

Przechodzenie na kondensatory polimerowe

Jeśli rozważane jest przejście na kondensatory polimerowe, należy określić konkretne wymagania w ramach następujących kryteriów:

Napięcie:

Kondensatory MLCC są określone na poziomie 0/1 V – rzeczywista pojemność elektryczna zmniejsza się wraz z przyłożonym napięciem. Kondensatory polimerowe są stabilne w całym zakresie napięć, ale należy wziąć pod uwagę obniżenie o 10–20% wartości znamionowych.

Wymagana pojemność:

Należy znać pojemność 1 kondensatora MLCC w warunkach stosowania (przyłożone napięcie, częstotliwości i starzenie) oraz liczbę kondensatorów połączonych równolegle, aby obliczyć całkowitą pojemność wypadkową.

Prąd tętniący:

PKondensatory polimerowe z łatwością wytrzymującą prąd tętniący do 2 do 3 Arms (wymagania wyższego prądu tętniącego dla produktów o jednocyfrowym współczynniku ESR lub konstrukcji warstwowej).

Częstotliwość pracy, Temperatura pracy, Maksymalna wysokość;

Kondensatory polimerowe są nieco większe niż kondensatory MLCC, ale mogą zastąpić wiele kondensatorów MLCC.

Całkowity koszt rozwiązania;

Jeżeli potrzebnych jest tylko kilka kondensatorów MLCC, kondensator polimerowy może okazać się droższy, ale możliwość zastąpienia jednym wielu kondensatorów MLCC, zazwyczaj pozwala na pewne oszczędności.

Shahrokh Kananizadeh z firmy Panasonic spróbował nam przybliżyć temat ESR (zastępcza rezystancja szeregowa), dając kilka ogólnych wytycznych dotyczących impedancji i częstotliwości ESR:

Im niższa impedancja lub wartość ESR danego kondensatora, tym bardziej przydatny jest on do wygładzania sygnału w obwodzie. Kondensatory MLCC mają najniższe ESR i impedancję, ale kondensatory SP zbliżają się do tych wartości. W przypadku branych pod uwagę kondensatorów istotna jest ocena charakterystyki częstotliwościowej, a zwłaszcza częstotliwość rezonansu własnego.

Najważniejszą wskazówka w tym przypadku jest zapewnienie, aby kondensatory były stosowane przy niższej częstotliwości niż ich częstotliwość rezonansu własnego. W tej sytuacji, w pewnym przybliżeniu, 1 MHz jest krytyczną wartością graniczną i należy dokładnie przeanalizować różnice w charakterystykach częstotliwości poszczególnych kondensatorów.

Biorąc pod uwagę ten przypadek zastosowania oraz liczbę dostępnych rodzajów kondensatorów polimerowych takich jak aluminiowe warstwowe kondensatory polimerowe, wspomniane tutaj kondensatory SP firmy Panasonic, przyjrzymy się bliżej kilku różnym kondensatorom polimerowym oraz ich mocnym stronom:

Sesja pytań i odpowiedzi ze specjalistami firm KEMET i Panasonic

Matthias Harder, dyrektor ds. zarządzania przedsiębiorstwem TBG EMEA w firmie KEMET, oraz Shahrokh Kananizadeh, kierownik ds. produktów kondensatorowych na Europę w firmie Panasonic, dali nam pewien wgląd w informacje dotyczącego tego produktu, a nawet poświęcili swój czas, odpowiadając na nasze pytania.

Distrelec: Jak można przekonać inżyniera zajmującego się przygotowywaniem prototypu wymagającego zastosowania kondensatorów MLCC, aby zastanowił się nad alternatywnymi rozwiązaniami, takimi jak kondensatory polimerowe, i wykorzystał je w swoim projekcie? Czy istnieje narzędzie/ściągawka pomagająca podjąć decyzję?

Matthias: Alternatywne produkty są już dostępne. Jednak to nie wszystko. Biorąc pod uwagę całkowity koszt docelowej pojemności elektrycznej i pożądaną pojemność wypadkową, rozwiązania alternatywne pozwolą na zmniejszenie kosztów i oszczędność miejsca. Kondensatory polimerowe mogą zapewnić bardziej stabilną pojemność dla całego zakresu przyłożonego napięcia stałego oraz stabilną pojemność przez całą długość życia produktu. Aby uzyskać więcej informacji, przygotowaliśmy webinarium poświęcone temu tematowi https://ec.kemet.com/knowledge/polymer-capacitors-your-solution-when-mlcc-lead-times-are-tight.

Shahrokh: Doskonałym punktem odniesienia jest nasza ulotka SOS dotycząca kondensatorów polimerowych: https://eu.industrial.panasonic.com/download/sos-short-mlccs-choose-panasonic-polymer-series

Distrelec: Oferujemy produkty, które są zamiennikami 1:1 kondensatorów MLCC 0805 i 1206. Jednak nie zalecamy tego rozwiązania, ponieważ korzyści płynące ze stosowania technologii polimerowej nie są w pełni wykorzystywane przy zamianie 1:1.

Matthias: Zazwyczaj sensownie jest wziąć pod uwagę rozwiązania polimerowe w następujących przypadkach zastosowania:

• Pojemność wypadkowa >= 10 μF (dla przyłożonego napięcia do 14,4 V)
• 0,68–10 μF (dla przyłożonego napięcia 45V i wyższego)
• Przyłożone napięcie do 67,5 V (60 V w przypadku trudnych warunków)
• Częstotliwości do 1 MHz

Możliwe są jednak również inne zastosowania.

Shahrokh: Ze względu na rozmiary i zalety kondensatorów polimerowych w porównaniu z kondensatorami MLCC konieczne może być przygotowanie nowego projektu. Natomiast przygotowanie nowego projektu może okazać się korzystne dla konstrukcji, biorąc pod uwagę fakt, że związane jest to z oszczędnością przestrzeni na płytce drukowanej i redukcją kosztów.

Distrelec:Jak wyglądają globalne zasoby dla kondensatorów polimerowych? Jak wyglądają zakłady produkcyjne? Czy jeżeli zaczniemy stosować je globalnie, grożą nam ich niedobory?

Matthias: Firma KEMET planuje zwiększyć zdolność produkcyjną kondensatorów polimerowych tantalowych do marca 2020 r. o ponad 50% w porównaniu z marcem 2018 r. Obecnie roczne zapotrzebowanie wynosi około 1 100 ton na całym świecie, przy zapasach 100 000 ton.

Shahrokh: Firma Panasonic posiada osobną fabrykę dla każdego rodzaju kondensatorów polimerowych oraz dział badawczo-rozwojowy w Japonii. Mamy również drugie źródło kondensatorów SP i POSCAP poza Japonią na wypadek klęsk żywiołowych i problemów z dostawami, co oznacza, że nie spodziewamy się niedoborów. Obecnie rozważamy stworzenie drugiego źródła dostaw kondensatorów OSCON i hybrydowych, ale jak na razie mamy jeszcze wystarczający zapas zdolności produkcyjnej w oczekiwaniu na wzrost.

Distrelec: Tantal jest uważany za minerał pochodzący z terenów konfliktu. Z jakich krajów firma KEMET pozyskuje swój tantal?

Matthias: Firma KEMET jest jedynym całkowicie bezkonfliktowym producentem kondensatorów polimerowych tantalowych i kondensatorów MnO2, zgodnie z Ostateczną zasadą dotyczącą minerałów konfliktowych Komisji Papierów Wartościowych i Giełd Stanów Zjednoczonych, sekcja 1502 ustawy Dodda-Franka.

Stosujemy wyłącznie certyfikowane materiały bezkonfliktowe, ale dzięki zamkniętemu systemowi jesteśmy również w stanie pozyskiwać materiały z Demokratycznej Republiki Konga, jak również wszelkie inne rudy tantalu (Koltan), K-Salt (produkt pośredni), tantal sproszkowany lub w drucie, które są certyfikowane, jako minerały bezkonfliktowe z innych krajów. Szczegółowe informacje można znaleźć na stronie http://www.kemet.com/conflictfree