Bild 1 zeigt die grundlegenden parasitären Effekte eines Kondensators, nämlich den effektiven Serienwiderstand (ESR) und die effektive Serieninduktivität (ESL). Außerdem ist die Impedanz von Keramik-, Aluminiumelektrolyt- und Aluminium-Polymer-Kondensatoren – den drei wichtigsten Kondensatorbauarten – als Funktion der Frequenz grafisch dargestellt. Die Werte, auf deren Basis die Kurven erzeugt wurden, sind in Tabelle 1 aufgeführt. Es handelt sich dabei um typische Werte, wie man sie in synchronen Abwärtswandlern für niedrige Spannungen (1  bis 2,5 V) und eine mittlere Stromstärke (5 A) vorfindet.

Tabelle 1: Ein Vergleich der drei Kondensatorbauarten zeigt, dass alle Varianten ihre spezifischen Stärken haben. (Bild: TI)

Bei niedrigen Frequenzen gibt es bei keinem der drei Kondensatortypen Anzeichen für parasitäre Effekte, denn die Impedanz wird hier eindeutig nur von der Kapazität bestimmt. Doch schon bei einer relativ geringen Frequenz geht die Impedanz des Aluminiumelektrolyt-Kondensators nicht weiter zurück und wird zunehmend resistiv. Diese resistive Charakteristik bleibt dann bis zu einer relativ hohen Frequenz erhalten, von der an sich der Kondensator induktiv verhält.

Der Aluminium-Polymer-Kondensator ist der nächste, der in seinem Verhalten vom Ideal abzuweichen beginnt. Interessanterweise besitzt er einen niedrigen ESR, während der ESL zutage tritt. Der Keramik-Kondensator besitzt ebenfalls einen geringen ESR, doch wegen seiner kleineren Gehäuseabmessungen ist sein ESL-Wert geringer als der des Aluminiumelektrolyt- und des Aluminium-Polymer-Kondensators.

Bild 2: Der Kondensator und seine parasitären Elemente erzeugen in einem nicht lückenden, synchronen Abwärtswandler verschiedene Welligkeitsspannungen. (Bild: TI)

Bild 2 zeigt die (simulierten) Spannungen am Ausgangskondensator eines nicht lückenden, synchronen Abwärtswandlers mit einer Schaltfrequenz von 500 kHz. Dabei werden die dominanten Impedanzen der drei Kondensatoren in Bild 1 zugrunde gelegt – die Kapazität im Fall des Keramik-Kondensators, der ESR im Fall des Aluminium-Elkos und die ESL im Fall des Aluminium-Polymer-Kondensators.

Die rote Kurve gibt die Spannung am Aluminiumelektrolyt-Kondensator wieder, dessen Impedanz durch den ESR dominiert wird. Die Welligkeitsspannung steht hier in direktem Zusammenhang mit dem Welligkeitsstrom der Drossel. Die blaue Kurve zeigt die Welligkeitsspannung am Keramikkondensator, der durch geringe ESR- und ESL-Werte gekennzeichnet ist. Die Welligkeitsspannung ist hier das Integral des Welligkeitsstroms in der Ausgangsdrossel. Da der Welligkeitsstrom linear ist, führt dies zu einer Abfolge über die Zeit quadrierter Abschnitte und ergibt einen sinusförmigen Verlauf.

Die grüne Kurve schließlich zeigt die Welligkeitsspannung, wenn die Impedanz des Kondensators vom ESL-Wert dominiert wird, wie im Fall des Aluminium-Polymer-Kondensators. Hier bilden die Induktivität des Ausgangsfilters und die effektive Serieninduktivität des Kondensators einen Spannungsteiler.

Das Phasenverhältnis der gezeigten Signalverläufe entspricht den Erwartungen. Dominiert die ESL, eilt die Welligkeitsspannung dem Strom in der Induktivität des Ausgangsfilters vor, bei dominierendem ESR sind Welligkeitsspannung und Strom in Phase, und bei dominierender Kapazität eilt die Spannung nach. In der Realität wird die Welligkeitsspannung am Ausgang natürlich nicht ausschließlich von einem der drei Elemente bestimmt, sondern ist stets die Summe aller drei Einflüsse. Die Welligkeitsspannung wird deshalb alle drei Elemente widerspiegeln.

Bild 3: Zustandswechsel bei Sperrwandlern oder Aufwärtswandlern (Bild: TI)

Bild 3 zeigt die Signalverläufe in einem weit im nicht lückenden Bereich arbeitenden Sperrwandler oder Aufwärtswandler, bei dem der Ausgangsstrom sowohl positives als auch negatives Vorzeichen annimmt und steile Zustandswechsel aufweist. Deutlich wird dies an der roten Kurve. Diese gibt die Spannung wieder, die das Produkt aus dem Strom und ESR ist. Es entsteht eine Rechteckwelle. Die Spannung am Kondensatorelement ist einfach das Integral einer Rechteckwelle, was ein lineares Lade- und Entladeverhalten ergibt (siehe die blaue Dreieckwelle).

Die Spannung an der effektiven Serieninduktivität des Kondensators schließlich kommt nur dann zum Tragen, wenn sich der Strom während eines Zustandswechsels ändert. Je nach der Steilheit, mit der sich der Ausgangsstrom ändert, kann diese Spannung recht hoch sein. Da die grüne Kurve hier durch zehn dividiert ist, wurde eine Stromanstiegszeit von 25 ns zugrunde gelegt. Diese erheblichen induktiv bedingten Spannungsspitzen sind einer der Gründe, weshalb Sperrwandler oder Aufwärtswandler häufig mit zweistufigen Filtern versehen werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Impedanz des Ausgangskondensators hilft, das Welligkeits- und Einschwingverhalten festzulegen. Infolge der immer höher werdenden Schaltfrequenzen der Netzteile dürfen die parasitären Elemente der Kondensatoren nicht mehr vernachlässigt werden. Nahe 20 kHz wird der ESR von Aluminiumelektrolyt-Kondensatoren so groß, dass er die Impedanz des Kondensators dominiert, und bei 100 kHz werden einige Aluminium-Polymer-Kondensatoren induktiv. Wenn die Schaltfrequenz in den Megahertz-Bereich ansteigt, sollte die effektive Serieninduktivität bei allen drei Bauarten unbedingt im Blick behalten werden.

MLCCs haben den Vorteil einer hohen relativen Permittivität von 2000 bis 3000, während es Elektrolyt-Kondensatoren (Elko) mit ihrer Aluminiumoxid-Isolation nur auf eine relative Permittivität von 10 bringen. Wegen des direkten Zusammenhangs zwischen Kapazität und Permittivität ist dieser Unterschied von großer Tragweite. Im Vorteil ist der Elko gegenüber dem Keramik-Kondensator wiederum durch die geringe Stärke der Aluminiumoxidschicht, die wesentlich engere Plattenabstände und damit erheblich höhere Kapazitätsdichten zulässt.

Fallstrick Permittivitätsänderung mit Temperatur und Bias

Bild 1: Dielektrika der Klasse 2 werden mit einem dreistelligen Code gekennzeichnet. Beachten Sie die Toleranzen!

Die Tatsache, dass sich die Permittivität des Keramik-Kondensators mit der Temperatur und der DC-Vorspannung ändert, muss beim Design unbedingt beachtet werden. Keramik-Werkstoffe hoher Permittivität werden der Klasse 2 zugerechnet. Bild 1 verdeutlicht die Einteilung der Materialien mit einer dreistelligen Kennung wie zum Beispiel Z5U, X5R oder X7R.

Ein Z5U-Kondensator etwa eignet sich für einen Temperaturbereich von 10 bis 85 °C bei einer Toleranz von +22/ 56 %. Selbst bei den stabileren Dielektrika ist eine beträchtliche Kapazitätsschwankung über die Temperatur zu beobachten.

Ein noch schlechteres Bild ergibt sich, wenn man die Abhängigkeit der Kapazität von der DC-Vorspannung (Bias) betrachtet. Bild 2 illustriert die Bias-Abhängigkeit eines X5S-Kondensators (22 µF, 6,3 V), wie man ihn üblicherweise als Ausgangskondensator in einem 3,3-V-POL-Regler (Point-of-Load) einsetzen würde. Die bei 3,3 V um 25% reduzierte Kapazität führt zu einer erhöhten Ausgangswelligkeit und hat erhebliche Auswirkungen auf die Bandbreite der Regelschleife.

Würde man versuchen, diesen Kondensator bei einer Ausgangsspannung von 5 V  zu verwenden, könnte die Kapazität je nach Temperatur und Bias um nicht weniger als 60% einbrechen und durch die Zunahme der Schleifenbandbreite im Verhältnis 2:1 dafür sorgen, dass die Stromversorgung instabil wird. Dies ist ein Aspekt, den die Anbieter von Keramik-Kondensatoren gern kaschieren.

Fallstrick geringe Kapazität und ESR-Wert

Bild 2: Auf die mit zunehmender Bias-Spannung zurückgehende Kapazität ist unbedingt zu achten

Der nächste potenzielle Fallstrick im Zusammenhang mit Keramik-Kondensatoren besteht in der verhältnismäßig geringen Kapazität und dem niedrigen ESR-Wert, denn hieraus können sich sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich Probleme ergeben.

Werden die Kondensatoren in einer Stromversorgung als eingangsseitige Filterkondensatoren eingesetzt, können sie mit der Induktivität der Eingangs-Zuleitungen leicht einen Schwingkreis bilden, wie bereits in den Power-Tipps 3 und 4 erläutert wurde.

Ob hier ein potenzielles Problem existiert, können Sie leicht herausfinden. Schätzen Sie dazu die parasitäre Induktivität der Zuleitung ab (als Faustregel können knapp 6 nH pro Zentimeter angesetzt werden) und vergleichen Sie die Ausgangsimpedanz des Filters mit dem Eingangswiderstand der Stromversorgung.

Fallstrick lange Leitungen (PoE)

Ein weiteres potenzielles Problem liegt im Zeitbereich und kann beispielsweise in Power-over-Ethernet-Systemen (PoE) zum Tragen kommen. In Systemen dieser Art besteht die Verbindung zwischen Stromversorgung und Verbraucher nämlich in einer langen Leitung großer Induktivität. Der Verbraucher wird mit einem Schalter eingeschaltet und kann mit keramischen Bypass-Kondensatoren versehen sein.

Diese Bypass-Kondensatoren aber können zusammen mit der Leitungs-Induktivität einen Schwingkreis mit hohem Gütefaktor bilden. Das Schließen des Schalters am Verbraucher kann somit das Entstehen einer Überspannung bis zum Doppelten der Quellenspannung bewirken. Unerwartete Ausfälle können die Folge sein. In einer PoE-Applikation zum Beispiel kann es hierdurch notwendig sein, die Bauelemente im Verbraucher für eine Nennspannung zu spezifizieren, die doppelt so hoch wie die Quellenspannung ist.

Fallstrick piezoelektrische Eigenschaften

Es gibt noch einen weiteren potenziellen Fallstrick. Dieser hat mit den piezoelektrischen Eigenschaften der keramischen Kondensatoren zu tun. Ändert sich nämlich die am Kondensator liegende Spannung, so verändern sich seine mechanischen Abmessungen, was sich durch hörbare Geräusche äußern kann. In dieser Hinsicht anfällig sind beispielsweise Anwendungen, in denen die Kondensatoren am Ausgang als Filterkondensatoren dienen und es zu starken Laststromspitzen kommt, oder aber umweltfreundliche Netzteile, die bei geringer Last in einen Burst-Modus wechseln. Verschiedene Abhilfemaßnahmen bieten sich an:

• Umstellen auf einen Keramikwerkstoff geringerer Permittivität (z.B. C0G)
• Verwenden eines anderen Dielektrikums (z.B. Folie)
• Einsatz bedrahteter Kondensatoren anstatt oberflächenmontierbarer, sehr fest mit der Leiterplatte verbundener Bauelemente
• Verwenden eines Kondensators mit kleinerem Footprint, um die in die Leiterplatte eingeleiteten mechanischen Spannungen zu reduzieren
• Benutzen eines dickeren Bauteils, um die von elektrischen Spannungen erzeugten mechanischen Belastungen und Verformungen zu verringern.

Fallstrick Lötstellen

Ein weiteres Problem oberflächenmontierbarer Keramik-Kondensatoren ist, dass ihre Lötverbindungen bruchanfällig sind, wenn sich die Leiterplatte infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Kondensator und Leiterplatte verbiegt. Auch hiergegen lässt sich mit verschiedenen Maßnahmen Abhilfe schaffen:

• Beschränken der Gehäusegröße auf das Format 1210
• Verzicht auf die Platzierung von Kondensatoren an besonders biegegefährdeten Stellen (z.B. in Ecken)
• Ausrichten der Kondensatoren entlang der Schmalseite der Leiterplatte
• Keine Anordnung von Leiterplatten-Befestigungspunkten in Ecken oder am Rand
• Berücksichtigen einer möglichen Leiterplatten-Durchbiegung während aller Montageschritte

Fazit

Zusammenfassend können den Mehrschicht-Keramik-Kondensatoren durchaus Vorteile bescheinigt werden, was die Kosten, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer betrifft; und auch der Platzbedarf ist verglichen mit Elkos geringer. Dabei darf man jedoch die potenziellen Probleme nicht vergessen. Da MLCCs erhebliche Kapazitäts-Toleranzen aufweisen, muss der Einfluss von Temperatur und Vorspannung auf ihre Leistungsfähigkeit unbedingt beachtet werden. Wegen ihrer piezoelektrischen Eigenschaften können sie in Systemen mit pulsierenden Strömen außerdem störende Geräusche erzeugen. Schließlich sind sie bruchgefährdet, sodass auch hier unbedingt Gegenmaßnahmen getroffen werden müssen. Da die angeführten Probleme jedoch alle beherrschbar sind, erfreuen sich MLCCs einer weiter steigenden Beliebtheit.