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MLCC缺货——有个解决办法!

时间:2018-07-10 作者:基美电子(KEMET)技术营销高级经理Wilmer Comp 阅读:
正如许多OEM厂商以及一级和二级制造商都可证明那样,多层陶瓷电容器(MLCC)行业目前正面临着巨大的产能和供应问题。这类情况最后一次发生是在千禧年之际。制造商们正在扩增产能,但这需要时间才能满足,并且对于正在处理迫在眉睫的生产线停工情况的制造商和工程师们,以及必须从非首选来源寻找器件的供应链经理们来说,也几乎没有些许安慰。在这种情况下,工程师们应该探索新的选择和替代技术,而无需对电路或产品进行重新设计。聚合物电解电容器是一种替代方案,在某些条件下可以提供帮助。换用KO-CAP并不总是微不足道的,但如果某些事情符合一致,其可成为研究和采取的可行之路。

KO-CAP背景

KO-CAP是基美电子(KEMET)基于钽的聚合物电解电容器。与其他任何钽电容器一样,它包括一块烧结的钽粉末,其上生长有一层五氧化二钽,并且有一层导电聚合物充当阴极。采用这种导电聚合物的电容器,其等效串联电阻(ESR)比“传统”的钽电容器低得多。

对于工程师来说,遇到问题就要解决,而且对于许多工程方面的挑战也都是如此,因此决定从MLCC过渡到KO-CAP这样的替代方案就是一项管理权衡。在评估转用电容器技术的机会时,有许多参数和因素必须考虑。主要且最重要的指标是:电容、电压、ESR、频率、漏电流、尺寸和认证。

在考虑每项设计参数时,图1所示的流程图可作为其决策指南。

20180710-mlcc-1

图1:该流程图显示了用KO-CAP替换MLCC的决策树

关键参数

与类似尺寸的陶瓷电容器相比,KO-CAP往往具有更大的电容。其电容值不小于680nF。因此,如果所需的总电容小于该值,则选用KO-CAP就不合适。在电容方面,用一两个KO-CAP就能替换一组MLCC,这通常是KO-CAP一个强有力的价值主张。

在任何基于钽的电容器中,其介电层都非常薄——典型值约为20nm。具有这样薄的电介质可产生大量电容,但它对电压也有限制作用。“高压”KO-CAP最高只有35V。因此,通常,如果用户的工作电压超过50V,那么选用KO-CAP就不合适。

ESR是考虑选用电容器的另一个重要参数——陶瓷电容器的ESR要比相应的KO-CAP低。但这并不是说KO-CAP就没有ESR非常低的类型——有些甚至低至8mΩ,但10mΩ的典型截止值就足够了。

在考虑KO-CAP的频率特性时,需要密切注意自谐振频率(SRF)。通常,用户所需的电容器工作频率低于这一数值。虽然情况并非总是如此,但如果你的开关频率超过1MHz,那么就有可能接近极限。

在研究MLCC替代品的可行性时,偏置是一个简单但不容忽视的方面。KO-CAP是有极性器件,因此不能给其施加反偏电压,也就不能在可能或需要承受反向偏置的场合下进行使用。

一个替代案例

在考虑了所有关键参数之后,我们有必要通过使用TI TSP54560B-Q1(汽车应用用降压转换器)的示例来对其进行巩固。该电路图如图2所示。

20180710-mlcc-2

图2:MLCC缺货下的降压应用

假设MLCC缺货,使用上述替换指南,我们可以得出以下结论:

输入端

C1、C2、C3和C10是输入端电容器。它们是2.2μF 50V 1206 X7R。虽然陶瓷电容器没有直接替代品,但其总电容为8.8μF,即可以用一个10μF 35V KO-CAP来替换四个陶瓷电容器。其值超过了最初所需的电容,但仍保持在该稳压器所需的范围内。只要输入不是直流电池电压,那输入端就无需考虑ESR、泄漏以及频率。采用基美电子的K-SIM等仿真工具,可以对它们进行并排比较。

从成本角度来看,采用单个器件替换四个MLCC通常可以显著降低成本。

输出端

输出端有C6、C7、C9和C11四个电容器,均为22μF 10V X7R 1206。在这种情况下,也有可直接替换的KO-CAP产品——其值为6.3V,但超过了输出电压范围。在这种情况下,KO-CAP的ESR高于对应的陶瓷电容器,但仍在设计规格范围内。电路的开关频率为300kHz,所推荐更换器件的SRF约为1MHz,因此可以接受。

就成本而言,其情况与输入端类似。用KO-CAP替代MLCC可以节省近50%成本。

C4、C5和C8是对设备功能提供支持的其他电容器。由于它们的物理尺寸和电容值,可以找到合适的替代候选产品。这种类型的电容器不会遇到与MLCC完全相同的供货问题。这个案例中没有太多讨论漏电流问题,因为这个问题只有采用固定不可充电电池的系统才需考虑。

总结

对于难以采购或采购不到MLCC的情况,找到直接替代方案是可能的,但其与用更少数量的KO-CAP替换一组电容器的价值主张并不相同。有时,对棘手的应用进行评估会发现替代并不可行,但在遇到产能和供货问题的时候,通过其他途径寻找解决方案可能产生某种解决方案,其不仅可以解决引起评估的缺货问题,还可以带来其他好处。

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