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手機用慣性感測器市場三強鼎立 意法保持領先優勢
研究機構Yole Developpement近期發布最新版手機用慣性感測器市場研究報告,根據該公司與System Plus Consulting合作,對市售智慧型手機進行的拆解研究中發現,2020年拆解的54款智慧型手機中,有43%採用由意法半導體(ST)提供的MEMS慣性感測器,26%則使用博世(Bosch)提供的方案,TDK InvenSense則以些微差距落後給博世,排名第三。
Yole估計,到2026年時,消費性產品所使用的慣性感測器市場規模將達到8.38億美元。
戴樂格和TDK提供小尺寸負載端DC/DC轉換器解決方案
英商戴樂格半導體(Dialog)日前宣布與TDK Corporation合作,將Dialog的GreenPAK技術與TDK的µPOL電源解決方案結合在一起,創建單一晶片整合電源與系統時序控制的解決方案。
傳統市面上的分離式解決方案需要大量的零組件,這會占據電路板空間、影響系統可靠性並提高製造成本。Dialog可擴展GreenPAK技術與TDK高密度電源模組解決方案相結合,減少所需零組件的數量,並能做到更精巧、可靠、強固,為先進工業嵌入式控制,IoT和5G應用提供最佳電源方案。
GreenPAK技術將生產週期縮短至僅4~6週,不僅支援大量生產,並加快了複雜系統板的開發速度。µPOL解決方案利用先進封裝技術,例如半導體嵌入式基板(SESUB),以較小的尺寸和較少的配置實現了緊密的3D系統整合。與市面現有產品相比,TDK能夠以較低的總系統成本提供更高的功率密度和易用性。例如TDK的FS1406 6A電源模組在3.3x3.3x1.5mm高度的電源模組中可提供15瓦的功率,其電流密度是最接近競爭對手的4倍。
隸屬TDK集團的Faraday Semi總裁Parviz Parto表示,我們的可小型化µPOL微嵌入式DC/DC轉換器與Dialog的精巧的電源時序控制器合作提升功率密度,進而為我們的客戶帶來更簡單的使用經驗和更低的成本。
Dialog Semiconductor資深副總裁暨混合訊號事業部總經理Davin Lee表示,透過與TDK的合作,我們將GreenPAK技術的靈活性,可程式性和可擴展性與TDK業界高功率密度解決方案,整合成單一晶片,形成一個完整且可靠的系統。
留意直流偏差效應 MLCC電容損耗免煩惱
多層陶瓷晶片電容器(MLCC)是當今使用最廣泛的陶瓷電容器之一。這並非沒有道理:它們在最大標稱C值和更低ESR值(等效串聯電阻)方面的最佳化十分突出。然而,伴隨而來的是更大的漂移,特別是在直流電壓、溫度和時間方面(圖1)。
圖1 由於2類陶瓷電容器使用鐵磁性基材鈦酸鋇,因此其C值會因溫度、直流和交流電壓以及部件的使用年限而有變化。
現在,2類陶瓷電容器已達到如此高的電容,這將反覆導致其在運作期間的實際電容之誤算。人們通常不知道元件在實際應用中的表現如何,以及它們為什麼在施加電壓時變化如此之大,一個有關的重要電氣參數就是直流偏壓(DC bias)。
陶瓷電容器易產生直流偏壓效應
直流偏壓效應可在實驗室中獲得充分的展示。TDK使用標稱電壓為25V的3216X7R1μF電容進行測試,並將其連接到LCR儀表。這在0V時顯示1μF。如果施加25V電壓,則可以檢測到與標稱電容值相比超過40%的電容損耗。
其原因在於陶瓷電容器的實際結構。它們的介電材料是從鈦酸鋇獲得的,鈦酸鋇是一種鐵磁性材料,其分子附著在結構鋇2+、氧2-、鈦4+上。
在這種情況下,鈦位於中間。該分子結構在高於居里溫度(約+125℃)時具有立方的晶體結構,並且在低於居里溫度時變為四方的晶體結構。這會產生一種稱為偶極子的極性,其中軸的一側會更正(More Positive),另一側會更負(More Negative)。
在沒有施加直流電壓的情況下,沒有電場,偶極子在整個晶體結構中隨機排列(自發極化)。同時,介電常數高,這也導致高電容。如果現在施加低直流電壓,則電場會由於極化而影響一些偶極子。它們開始與電場平行排列,而降低了電容。
如果施加更高的直流電壓,則有幾個偶極子會讓自身與電場平行排列,並且電容會持續減少。當標稱電壓施加到電容器時,電容水準可能會從標稱電容水準下降多達50%或更多(圖2)。
圖2 由於直流電壓引起的C值變化
改善電路設計避免電容影響
直流偏壓對2類陶瓷電容器電容的影響無法避免。不過,此一情況是有辦法可以處理的。比較2類電容器的幾條直流偏壓曲線,可說明有哪些可能性能夠減少它在應用中的影響。
使用具有1nF和標稱電壓為16V的電容器,電容在10V時降低了近9%,在16V時降低了21%。對於某些設計而言,這已是不可接受的情況。使用標稱電壓為25V的相同電容器,電容在10V時僅下降2%。
這是因為陶瓷電容器中的介電層在較高的標稱電壓下較厚,電介質較厚意味著電場較弱,其對偶極子的影響也較少。在10V時,相同封裝尺寸的470pF電容的電容變化僅為0.6%。如果設計允許這些電容中的兩個並聯連接,這將是直流偏壓效應的可能解決方案,這是因為較低的電容值允許較厚的介電層。有時,具有相同電容值的電容器也可使用較大的封裝。它們通常還具有較厚的介電層,因此具有更好的直流偏壓行為。
忽略直流偏壓將導致電路不良
用一個實際的例子來說明如果在應用中未考慮直流偏壓會出現什麼情況。一位客戶使用08054.7μFX5R多層陶瓷電容器,電壓為25V,標稱容差為10%,測量參數在1V eff時為1kHz。使用者抱怨元件有缺陷,因為它們的C值在14.5V時僅為1μF左右,而不是與「黃金」樣品一樣的大約1.5μF。這將導致15V時的紋波訊號,進而引起IPM驅動器電源的欠壓和不良的MOSFET換向(Commutation),最終導致電機繞組出現過電流的情況。
事實證明,電容器製造商使用了兩種不同的原料混合物來維持供應電壓的可靠性。在14.5V時,一種混合物顯示數值約為1μF,另一種則約為1.5μF。換句話說,兩者都符合特性資料(圖3和圖4)的說明。在使用者使用具有較高數值的元件來進行偏壓測試,而並未檢查差異原因或者考慮相應的一般圖表時,就會產生爭執。應用中的臨界值大約為1.25μF。最初,客戶恰好收到具有較低直流偏壓的元件,當客戶最終收到直流偏壓特性更明顯的元件時,這些元件會表現出電路的不良行為。
圖3 0805 4,7μF電容器的特性資料
圖4 MLCC中的各種基材顯示出不同的直流偏壓行為。
這個例子說明,在短缺情況下,瞭解和考慮應用中各項功能的實際要求以及MLCC的行為尤為重要。必須注意哪一種實際電壓是必要的、在實踐中需要考慮哪些溫度、有效電容值的閾值在哪裡等。如有疑問,開發人員應尋求電容器製造商或經銷商的建議,特別是如果與特性資料和圖表存在相對明顯的偏差時;因為與規範資料相比,這些並不能得到保證。
在這種情況下,特別建議要使用電容器的直流偏壓曲線來預先檢查,電容對於實際工作電壓是否可接受。如果不是這種情況,可以利用以下三種方式將電容損耗減到最少。
1.將兩個或多個電容值較低的電容器並聯。
2.選擇具有更高標稱電壓的電容器。
3.使用具有更大封裝的電容器。
這三種方法通常都具有較厚的介電層,有助於將由直流偏壓所引起的電容損耗減到最少。這可以避免技術上的問題,並為開發人員提供更多的選擇。
(本文作者為儒卓力陶瓷電容器現場應用工程師)