Prinsip dan Pertimbangan Desain untuk Kapasitor Elektrolit Frekuensi Tinggi dan Impedansi Rendah

Kapasitor elektrolit frekuensi tinggi dan impedansi rendah adalah jenis kapasitor baru yang dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan catu daya switching frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi serta sirkuit digital. Kapasitor ini memiliki rugi-rugi rendah, karakteristik frekuensi tinggi yang sangat baik, dan impedansi yang lebih rendah pada frekuensi tinggi (sekitar 1/3 hingga 1/2 dari produk standar). Kapasitor ini juga memungkinkan arus riak yang lebih tinggi. Tingkat kinerja kapasitor ini biasanya ditentukan oleh impedansinya (Z) atau resistansi seri ekivalen (ESR) pada 100 kHz, serta arus riak maksimum yang diizinkan.

1. Signifikansi Praktis Kapasitor Elektrolit Frekuensi Tinggi dan Impedansi Rendah

1.1 Rangkaian Seri Ekuivalen Kapasitor Nyata

Kapasitor elektrolit sesungguhnya dapat dimodelkan sebagai rangkaian seri yang terdiri dari kapasitansi (C), resistansi seri ekivalen (ESR), dan induktansi seri ekivalen (ESL).

1.2 Hubungan Antara Frekuensi dan Impedansi

• ESR kapasitor menurun seiring dengan peningkatan frekuensi, tetapi faktor disipasinya (

  tanδ

  ) meningkat. Menurunkan ESR membantu mengurangi peningkatan

  tanδ

  dengan frekuensi.

• Impedansi (Z) kapasitor sepenuhnya mencerminkan efek ESR dan ESL pada frekuensi.

• Pada frekuensi resonansi (

  f0​

  ), Z berada pada titik minimumnya.

  f0​

  merupakan frekuensi tertinggi di mana komponen tersebut berfungsi efektif sebagai kapasitor. Setelah titik ini, komponen tersebut kehilangan sifat kapasitifnya.

• Pada frekuensi tinggi, jika ESL diabaikan, Z kira-kira sama dengan ESR. Dalam hal ini, Z memiliki korelasi yang kuat dengan

  tanδ

  .

Oleh karena itu, Z dan ESR yang lebih rendah pada frekuensi tinggi menghasilkan

, yang membantu meningkatkan riak arus yang diizinkan, mengurangi kenaikan suhu, mengurangi pembentukan panas, dan memperpanjang umur kapasitor.

1.3 Efisiensi Penyaringan

Efisiensi penyaringan berhubungan langsung dengan tegangan riak:

Untuk arus riak yang sama, Z yang lebih rendah menghasilkan tegangan riak yang lebih rendah dan kinerja penyaringan yang lebih baik.

2. Desain dan Pertimbangan untuk Kapasitor Elektrolit Frekuensi Tinggi dan Impedansi Rendah

2.1 Persyaratan Dasar

• Miniaturisasi: Harus selaras dengan tren perangkat elektronik yang lebih kecil.

• Kinerja Frekuensi Tinggi: Harus bertujuan untuk memaksimalkan frekuensi resonansi (

  f0​

  ) dan meningkatkan karakteristik frekuensi tinggi, terutama dengan mengurangi ESL sekaligus menurunkan

  tanδ

  .

• Z/ESR Rendah: Meminimalkan Z atau ESR tidak hanya meningkatkan penyaringan tetapi juga membantu mengurangi kenaikan suhu (daya panas)

  P=I 2​⋅ESR

  ) dan meningkatkan kemampuan arus riak.

2.2 Kapasitor Elektrolit Tegangan Rendah, Frekuensi Tinggi, Impedansi Rendah

1. Miniaturisasi

Untuk mencapai ukuran yang lebih kecil, sebaiknya digunakan foil berkapasitas tinggi. Namun, kapasitansi tinggi meningkatkan resistansi foil, yang berdampak pada ESR yang rendah. Keseimbangan harus ditemukan. Foil khusus untuk kapasitor frekuensi tinggi dan impedansi rendah telah dikembangkan untuk mengatasi masalah ini. Foil ini bertujuan untuk menghasilkan kapasitansi tinggi dengan resistansi foil minimal dengan berfokus pada teknik etsa dan pembentukan. Hal ini melibatkan peningkatan kualitas film oksida dan koefisien tegangannya, yang pada gilirannya meningkatkan kapasitansi untuk tegangan tertentu.

2. Kinerja Frekuensi Tinggi

Menurunkan ESL adalah kunci untuk meningkatkan kinerja frekuensi tinggi. Induktansi kapasitor berasal dari kabel dan lilitan internalnya (inti).

• Induktansi Kabel: Untuk kapasitor berkabel, kabel yang tebal dan pendek membantu mengurangi induktansi. Untuk kapasitor dengan tab internal, induktansi tab bergantung pada panjang, lebar, dan tebalnya, serta jumlah tab. Tab yang lebih panjang berarti induktansi yang lebih tinggi; lebih banyak tab menyebabkan induktansi yang lebih rendah.

• Induktansi Inti: Induktansi inti sebanding dengan rasio panjang foil (l) terhadap lebarnya (w). Ketika l/w = 23, induktansi inti berada pada titik minimum. Dengan demikian, inti yang panjang dan sempit umumnya memiliki induktansi yang lebih rendah daripada inti yang pendek dan lebar.

Selain itu, metode penggulungan seperti desain multi-kabel, konstruksi bertumpuk, atau penggulungan silinder dengan foil menonjol dapat digunakan untuk menurunkan induktansi.

3. Menurunkan Z atau ESR

ESR terutama berasal dari resistansi timbal, resistansi kontak antara foil dan tab, resistansi elektrolit, dan resistansi kertas pemisah.

• Kabel: Meskipun bukan sumber hambatan yang signifikan, kabel harus berkualitas tinggi, dengan permukaan halus dan diameter yang pas dengan sumbat penyegel.

• Tab: Tab bermutu tinggi harus digunakan dalam konfigurasi tebal, pendek, atau multi-pasang untuk mengurangi induktansi, resistansi, dan mencegah korosi ion klorida.

• Resistensi Kontak Foil: Pengelasan laser atau pengelasan ultrasonik harus digunakan untuk memastikan ikatan yang kuat antara timah dan foil, serta mengurangi resistensi kontak.

• Foil: Resistansi foil dipengaruhi oleh panjangnya. Foil yang terukir tebal memiliki resistivitas yang lebih tinggi, tetapi efek ini diminimalkan dengan struktur multi-tab.

• Elektrolit dan Kertas Pemisah: Untuk menurunkan ESR, fokus utama untuk kapasitor frekuensi tinggi dan impedansi rendah adalah mencapai elektrolit konduktivitas tinggi dan kertas pemisah kepadatan rendah.

  • Elektrolit: Elektrolit berbahan dasar air memiliki konduktivitas yang jauh lebih tinggi daripada elektrolit non-air.

  • Kertas: Kertas dengan kepadatan rendah dapat memengaruhi kekuatannya, sehingga menghasilkan kertas berpola. Hal ini juga memerlukan persyaratan yang lebih ketat untuk pemotongan foil bebas gerinda.

2.3 Kapasitor Elektrolit Tegangan Menengah hingga Tinggi, Frekuensi Tinggi, Impedansi Rendah

1. Kebutuhan

Kapasitor tegangan tinggi (400-450V) yang digunakan untuk penyaringan input pada catu daya switching juga perlu menangani riak frekuensi tinggi. Penggunaan kapasitor tegangan tinggi berfrekuensi tinggi dan berimpedansi rendah membantu mengurangi impedansi frekuensi tinggi, yang meningkatkan efek penyaringan input, mengurangi kenaikan suhu, serta meningkatkan kemampuan arus riak dan masa pakainya. Hal ini mendorong pengembangan berkelanjutan kapasitor jenis ini.

2. Pertimbangan Desain

Persyaratan dasarnya sama dengan produk tegangan rendah, tetapi pendekatan penyelesaiannya berbeda. Karena sulit meningkatkan konduktivitas elektrolit tegangan tinggi dengan menambahkan air, metode lain seperti penggunaan garam elektrolit bercabang harus digunakan. Kemajuan dalam peningkatan rasio kapasitansi terhadap volume foil tegangan tinggi juga lebih lambat. Akibatnya, persyaratan miniaturisasi pada produk tegangan menengah hingga tinggi harus lebih fleksibel. Ketika konduktivitas elektrolit tidak mencukupi, foil dengan kapasitansi lebih rendah dapat digunakan untuk mencapai Z dan ESR yang lebih rendah. Untuk meningkatkan masa pakai dan ketahanan panas, foil dengan tegangan pembentukan yang lebih tinggi juga dapat digunakan.