E-CAP将多个电容器集成到单个固态器件中,提供了硅的灵活性和效率。

无论是用于物联网的数据服务器还是数据中心,电力系统设计者都不断面临着实现更大功率密度和提高转换效率的压力。尽管半导体开关器件在取得这些进步方面受到了很多关注,但电容器也可能是帮助工程师满足能量存储、滤波、调平和调谐需求的重要设计组件。

然而,电容器的发展并没有跟上半导体世界乃至多层陶瓷电容器(MLCC)等领先技术的变化。MLCC是由交替的金属电极和陶瓷电介质层组成的单片电子器件。在MLCC叠层的制造过程中使用高温,以形成烧结的、体积有效的电容器件。然后在暴露的端部加入导电终端阻挡层以完成连接。

Empower Semiconductor(Empower)开发了自己的220 nF电容器技术(E-CAP),以补充其系列集成电压调节器在认识到传统电容器的缺点之后。在接受Power Electronics News采访时,Empower销售和营销高级副总裁Steve Shultis讨论了E-CAP的优势如何让公司从IVR系统的进步中获利。“E-CAP将各种离散电容组合成一个固态组件,”他说。“为了利用其卓越的性能、尺寸、可配置性、耐用性和稳定性,Empower现在在许多困难的应用领域提供E-CAP硅电容器解决方案。

他补充道:“四年前,我们在开发最初的IVR平台时,花了很多时间才意识到,即使是性能最高的陶瓷电容器,也无法为第一代IVR提供100 MHz或200 MHz的开关频率。”。“因此,我们意识到我们需要一些新的东西,与我们的合作伙伴台积电(TSMC)一起,我们找到了一种利用这项技术的技术,并成为设计这项技术时的专家。我们正在沿着一条类似IVR的道路前进,这条道路涉及电源管理,以前从未考虑过。”

Empower透露,其合作伙伴是台积电,与台积电在实施E-CAP方面有合作。舒尔蒂斯说:“设计的知识产权是我们的,但通过台积电,你可以使用他们的流程,因此你可以将知识产权应用到另一个流程中。”。

上周,Empower Semiconductor宣布,它已通过新技术扩展其E-CAP系列硅电容器,在密度和性能方面提供了进一步突破。最新的E-CAP解决方案提供1.1µF/mm的密度2.。除密度外,总高度可达到50µm以下的厚度水平。从75 pF到5µF(2 V)的多个匹配电容值可以集成到单个管芯中,以创建定制集成电容器阵列。基于凸块、衬垫和支柱的封装选项允许设计者根据特定的系统约束选择最佳解决方案(图1和图2)。


图1:与标准MLCC相比,基于ECAP的解决方案提供了>5倍的密度。(来源:Empower Semiconductor)

E-CAP技术

E-CAP将多个电容器集成到单个固态器件中,提供了硅的灵活性和效率。根据Shultis的说法,该技术结合了增强的等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)特性,显著降低了寄生效应,电容器密度比领先的MLCC高近5倍。

Shultis强调了E-CAP技术实现厚度小于50µm的能力,这非常适合支持下一代数据密集型系统,这些系统需要从最小的形状因素实现高频操作和最大效率,以及在物联网、可穿戴设备、移动和处理器领域,其中尺寸、性能和灵活性至关重要。E-CAP解决方案帮助设计者降低BoM的成本和电路故障的风险。

Shultis表示:“在给定区域集成更多电容器后,您可以在更小的区域内放置更多电容器,从而为4 V以下的一系列常见应用提供灵活性。”。“高压工作需要专门的处理和权衡。Empower正在寻找潜在的新前景。”


图2:E-CAP与MLCC(来源:Empower Semiconductor)


图3:示例设计用一个E-CAP管芯替换了10个MLCC;用于超高密度应用的九个电容器需求的单芯片解决方案。(来源:Empower Semiconductor)

此外,与MLCC不同,E-CAP需要多个设备来考虑电压、温度和老化的降额,E-CAP对AC或DC偏置降额的要求最小或没有。因此,不再需要“超规格”电容,需要考虑降级。

Shultis说:“在使用MLCC时,需要进行计算以确定适当的温度、电压、直流额定值等。”。“由于电压、温度和老化的低减额,E-CAP不需要过度设计。为了证明这一点,我们可以引用我们在资质、可靠性和客户生产方面的杰出表现。ESL是另一个不可忽略的组件,这就是为什么高性能去耦系统经常使用它的原因,因为只需要少量电感,并且由电容器贯穿整条线路。有低电感的陶瓷电容器,但它们通常无法达到一位数的皮亨利值,而且成本更高,因为它们是由高度定制和专用陶瓷制成的。”


图4:Empower E-CAP设计示例(来源:Empower Semiconductor)


图5:MLCC结构与硅沟槽电容器(来源:Empower Semiconductor)

结论

通过E-CAP可提供低至15 pH的超低ESL和50µm封装高度的柔性电容器,用于移动和可穿戴设备、数据中心服务器和物联网设备。E-CAP由于其更好的频率响应和更强的ESL,在高频下具有较低的阻抗。图3对比了两种实施方式:一种采用E-CAP代替高频电容器,另一种采用大量MLCC电容器来提高去耦解决方案的频率响应性。根据结果,图3显示,通过使用E-CAP,组件数量可以减少40%,同时将高频阻抗降低到传统MLCC解决方案的一半。

Shultis表示:“根据图4,我们的路线图旨在提供多种选择;然而,随着我们与越来越多的客户和应用程序交谈,我们了解到市场上相当大的一部分人对200 nF或400 nF的总体要求。”。“我们已经将一些第二代多芯片类型的设计付诸实践。18个电容器的设计最有可能成为常规产品:18个200 nF电容器包含在易于接近的产品中,尽管阵列大约为2×2 mm,间距为400µ,总电容约为4.8µF。因此,它可以用于大多数PCB安装情况粘结层厚度可低于50µ。基板底面上非常小的去耦电容器非常薄,即使在焊接后或基板或PCB层内部安装,也可以在高度限制内安装,因此我们正在研究这些封装技术以及如何实现这一点。”

Shultis断言,E-CAP电容器在磁场条件下使用安全,并且抗低频噪声(图5)。“这对于使用MLCC陶瓷电容器的一些低频应用来说是一个挑战,”他说。“我们在一些场合遇到过这个问题。此外,陶瓷电容器焊盘上的镀镍使其在医疗应用中很麻烦,因为它对磁场敏感。”

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上,电力电子新闻.