無論是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器還是數(shù)據(jù)中心，電源系統(tǒng)設(shè)計人員都面臨著獲得更大功率密度和提高轉(zhuǎn)換效率的壓力。盡管半導(dǎo)體開關(guān)器件在取得這些進步方面受到了很多關(guān)注，但電容器也可能是幫助工程師滿足能量存儲、濾波、調(diào)平和調(diào)諧需求的重要設(shè)計組件。

然而，電容器的發(fā)展并沒有跟上半導(dǎo)體領(lǐng)域的變化，甚至沒有跟上多層陶瓷電容器 （ MLCC ） 等領(lǐng)先技術(shù)。MLCC 是由交替的金屬電極層和陶瓷電介質(zhì)層組成的單片電子器件。在制造 MLCC 的層壓層期間使用高溫來創(chuàng)建燒結(jié)的、體積有效的電容裝置。然后在暴露端加入導(dǎo)電終端屏障以完成連接。

Empower 半導(dǎo)體（Empower）在認(rèn)識到傳統(tǒng)電容器的缺點后，開發(fā)了自己的 220nF 電容器技術(shù) （E-CAP） 來補充其集成穩(wěn)壓器（IVR） 系列。Empower 銷售和營銷高級副總裁 Steve Shultis 在接受 Power Electronics News 采訪時討論了 E-CAP 的優(yōu)勢如何讓公司從 IVR 系統(tǒng)的進步中獲利。“E-CAP 將各種分立電容組合成一個固態(tài)元件，”他說。“為了利用其卓越的性能、尺寸、可配置性、耐用性和穩(wěn)定性，Empower 現(xiàn)在在許多困難的應(yīng)用領(lǐng)域提供 E-CAP 硅電容器解決方案。

“我們花了很多時間意識到，當(dāng)我們四年前開發(fā)初始 IVR 平臺時，即使是性能最高的陶瓷電容器也無法維持第一代 IVR 的 100-MHz 或 200-MHz 開關(guān)頻率， “ 他加了。“因此，我們意識到我們需要一些新的東西，并且與我們的合作伙伴臺積電一起，我們找到了一種利用這項技術(shù)的技術(shù)，并成為了設(shè)計它的專家。我們正在沿著一條與 IVR 一樣涉及電源管理且以前沒有考慮過的路徑移動它。”

Empower 透露其合作伙伴是臺積電，與臺積電合作實施 E-CAP。“設(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)是我們的，但通過臺積電，你可以使用他們的工藝，因此你可以將知識產(chǎn)權(quán)應(yīng)用到另一個工藝中，”舒爾蒂斯說。

上周，Empower Semiconductor 宣布已通過新技術(shù)擴展其 E-CAP 系列硅電容器，這些新技術(shù)在密度和性能方面提供了進一步的突破。最新的 E-CAP 解決方案提供 1.1 μF/mm 2的密度。除了密度，厚度水平可以達(dá)到總高度低于 50 μm。從 75 pF 到 5 μF（2 V 時）的多個匹配電容值可以集成到單個芯片中，以創(chuàng)建定制的集成電容器陣列。基于凸塊、焊盤和支柱的封裝選項允許設(shè)計人員根據(jù)特定的系統(tǒng)約束選擇最佳解決方案（圖 1 和圖 2）。

圖 1：與標(biāo)準(zhǔn) MLCC 相比，基于 ECAP 的解決方案提供 》 5 倍的密度。（來源：賦能半導(dǎo)體）

E-CAP 技術(shù)

E-CAP 將多個電容器集成到單個固態(tài)器件中，提供硅的靈活性和效率。據(jù) Shultis 稱，該技術(shù)結(jié)合了增強的等效串聯(lián)電感 （ESL） 和等效串聯(lián)電阻 （ESR） 特性，可顯著降低寄生效應(yīng)，其電容器密度幾乎是領(lǐng)先 MLCC 的 5 倍。

Shultis 強調(diào)了 E-CAP 技術(shù)實現(xiàn)小于 50 μm 厚度水平的能力，這非常適合支持需要高頻操作和以最小外形尺寸實現(xiàn)最高效率的下一代數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)，以及物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、移動和處理器領(lǐng)域，其中尺寸、性能和靈活性至關(guān)重要。E-CAP 解決方案可幫助設(shè)計人員降低 BoM 成本和電路故障風(fēng)險。

“通過在給定區(qū)域中集成更多電容器，您可以在更小的區(qū)域中放置更多電容器，從而為低于 4 V 的一系列常見應(yīng)用提供靈活性，”Shultis 說。“高壓工作需要專門的處理和權(quán)衡。Empower 正在尋找潛在的新前景。”

圖 2：E-CAP 與 MLCC（來源：Empower Semiconductor）

圖 3：示例設(shè)計將 10 個 MLCC 替換為一個 E-CAP 芯片；滿足超高密度應(yīng)用的九個電容器要求的單芯片解決方案。（來源：賦能半導(dǎo)體）

此外，與 MLCC 不同，MLCC 需要多個設(shè)備來考慮電壓、溫度和老化的降額，E-CAP 對 AC 或 DC 偏置降額的要求很少或沒有要求。因此，不再需要考慮降額的“超規(guī)格”電容。

“在使用 MLCC 時，需要進行計算以確定適當(dāng)?shù)臏囟取㈦妷骸⒅绷黝~定值等，”Shultis 說。“由于電壓、溫度和年齡的低降額，E-CAP 不需要過度設(shè)計。為了證明這一點，我們可以引用我們在資質(zhì)、可靠性和客戶生產(chǎn)方面的出色表現(xiàn)。ESL 是另一個不可忽略的組件，這就是高性能去耦系統(tǒng)經(jīng)常使用它的原因，因為只需要少量電感，并且由整個線路的電容器提供。有低電感的陶瓷電容器，但它們通常不能達(dá)到個位數(shù)的皮亨值，而且成本更高，因為它們是由高度定制和專業(yè)化的陶瓷制成的。”

圖 4：Empower E-CAP 設(shè)計示例（來源：Empower Semiconductor）

圖 5：MLCC 結(jié)構(gòu)與硅溝槽電容器（來源：Empower Semiconductor）

結(jié)論

E-CAP 提供具有低至 15 pH 的超低 ESL 和 50 μm 封裝高度的柔性電容器，可用于移動和可穿戴設(shè)備、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。E-CAP 由于其更好的頻率響應(yīng)和更強的 ESL，在高頻下具有更低的阻抗。圖 3 對比了兩種實施方式：一種采用 E-CAP 代替高頻電容器，另一種采用大量 MLCC 電容器來提高去耦解決方案的頻率響應(yīng)能力。根據(jù)結(jié)果，圖 3 顯示通過使用 E-CAP 可以減少 40% 的組件數(shù)量，同時將高頻阻抗降低到傳統(tǒng)基于 MLCC 的解決方案的一半。

“根據(jù)圖 4，我們的路線圖旨在提供多種選擇；然而，隨著我們與越來越多的客戶和應(yīng)用程序交談，我們了解到相當(dāng)大比例的市場對 200 nF 或 400 nF 的一般要求，”Shultis 說。“我們已經(jīng)將一些第二代多電容型設(shè)計付諸實踐。有 18 個電容器的最有可能成為常規(guī)產(chǎn)品：18 200-nF 電容器包含在易于使用的產(chǎn)品中，盡管陣列大約為 2 × 2 mm，間距為 400-μ，總電容為約 4.8 μF。因此，它可用于大多數(shù) PCB 安裝情況。第二代的厚度可以低于 50 μ。基板下側(cè)的非常小的去耦電容器非常薄，可以安裝在高度限制內(nèi)，

Shultis 斷言 E-CAP 電容器在磁場條件下使用是安全的，并且可以抵抗低頻噪聲（圖 5）。“這對于一些使用 MLCC 陶瓷電容器的低頻應(yīng)用來說是一個挑戰(zhàn)，”他說。“我們曾多次遇到這個問題。此外，陶瓷電容器焊盤上的鍍鎳使它們在醫(yī)療應(yīng)用中使用起來很麻煩，因為它對磁場很敏感。”