谈聚合物铝电解电容器如何解决电源设计的痛点

发布日期:2024-03-25     178 次

在设计 USB 电源以及电子系统和子系统(包括 IC、特定应用 IC (ASIC)、中央处理器 (CPU) 和现场可编程门阵列 (FPGA))的功率输送解决方案时,设计人员会不断寻找方法来提高效率,同时确保以紧凑的外形尺寸在宽温度范围内提供稳定、无噪声的功率。他们需要提高效率、稳定性和可靠性,降低成本,并缩小解决方案的外形尺寸。同时,还必须满足应用中不断增多的功率性能要求,包括平滑处理电源电路的输入和输出电流、支持峰值功率需求以及抑制电压波动。

为了应对这些挑战,设计人员需要具有低等效串联电阻 (ESR) 和高频低阻抗的电容器,以支持纹波吸收并确保平滑的快速瞬态响应。此外,运营可靠性和供应链可靠性也很重要。

纵观这些问题和选项,是一个很好的解决方案,具有较高电气性能和稳定性,噪声低、可靠性佳、外形尺寸紧凑,并且由于不使用冲突材料,供应链风险低。它们具备低 ESR(通常以毫欧 (mΩ) 为单位测量)和高频(高达 500 千赫兹 (kHz))低阻抗,并且提供出色的噪声抑制、纹波吸收和电源线去耦性能。此外,在高工作频率和温度下也具有电容稳定性。

本文概述了的工作原理和制造方法。文中将这些电容器的性能与替代性电容器技术进行比较,接着探讨的具体应用。最后则回顾了 Murata 的代表性器件,以及设计人员使用这些电容器时需要注意的应用问题。

聚合物铝电容器是如何制造的?

聚合物铝电容器包括蚀刻的铝箔阳极、铝氧化膜电介质以及导电聚合物阴极(图 1)。根据具体器件的不同,电容范围为 6.8 至 470 微法 (µF),电压范围为 2 至 25 伏直流电 (Vdc)。

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图 1:聚合物铝电解电容器模型展示了蚀刻铝箔阳极(左)、铝氧化膜电介质(中)和导电聚合物阴极(右)之间的关系。

在 Murata 的 ECAS 系列器件中,蚀刻的铝箔直接贴在正电极上,而导电聚合物则用碳糊覆盖,并使用导电银浆连接到负电极上(图 2)。整个结构以模压环氧树脂包覆,以提供机械强度和保护环境。由此形成扁平的无卤素表面贴装封装,湿气敏感性等级 (MSL) 为 3 级。铝箔和氧化膜的多层(层压)结构使得 Murata 的 ECAS 系列有别于典型的铝电解电容器,如使用聚合物或电解质作为阴极的罐式缠绕结构。


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图 2:ECAS 系列聚合物铝电容器器件结构展示了导电聚合物(粉红色)、蚀刻铝箔(白色)、铝 (Al) 氧化膜(蓝色)、连接导电聚合物和负极的碳糊(棕色)和银浆(深灰色),以及环氧树脂外壳。

层压结构和材料选择组合使 ECAS 电容器具有电解电容器的最低 ESR。ECAS 系列聚合物铝电容器的电容可与聚合物钽 (Ta) 电容器、钽二氧化锰 (MnO2) 电容器和多层陶瓷电容器 (MLCC) 媲美,其 ESR 则与 MLCC 相当,低于聚合物或 MnO2 钽电容器(图 3)。

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图 3:与 MLCC 相比,聚合物铝电容器(ECAS 系列)具有更高的电容值和相当的 ESR,另外其 ESR 也较低,并且电容与钽和罐式铝电容器相当。

对于成本敏感的应用,铝电解电容器和钽 (MnO2) 电容器可以提供相对便宜的解决方案。传统的铝或钽电解电容器使用电解质或二氧化锰 (MnO2) 作为阴极。ECAS 电容器使用导电聚合物阴极,因而 ESR 更低、热特性更稳定、安全性提高、使用寿命更长(图 4)。MLCC 虽然相对便宜,但却存在其他电容器技术所没有的直流偏置特性。


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图 4:聚合物铝电容器提供的基本特性组合包括低 ESR、直流偏置特性、温度特性、使用寿命和可靠性。

直流偏置特性是指 MLCC 在外加 DC 电压下的电容变化。随着施加的 DC 电压增加,MLCC 的有效电容会减少。当 DC 偏置增加到几伏时,MLCC 的标称电容值会损失 40% 至 80%,因此不适合许多电源管理应用。

聚合物铝电解电容器的性能特点使其非常适用于电源管理应用,包括 CPU、ASIC、FPGA 和其他大型 IC 的电源,并支持 USB 电源系统的峰值功率需求(图 5)。

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图 5:例 1(上):目标应用使用的电源管理电路中的聚合物铝电容器,用于消除纹波以及平滑并稳定电压源。例 2(下):聚合物铝电容器可以支持 USB 电源系统的峰值功率需求。

聚合物铝电容器具有低 ESR、低阻抗和稳定的电容,非常适用于平滑和消除纹波等应用,特别是在电流负载波动较大的电源线上。在这些应用中,聚合物铝电容器可以与 MLCC 组合使用。

聚合物铝电容器提供电源管理功能,而 MLCC 则过滤 IC 电源引脚的高频噪声。聚合物铝电容器还支持 USB 电源系统的峰值功率需求,同时保持较小的印刷电路板基底面。

聚合物铝电容器

根据额定值,ECAS 聚合物铝电容器有四种 EIA 7343 公制外壳尺寸:D3:(7.3 mm x 4.3 mm x 1.4 mm 高);D4(7.3 mm x 4.3 mm x 1.9 mm 高);D6(7.3 mm x 4.3 mm x 2.8 mm 高);以及 D9(7.3 mm x 4.3 mm x 4.2 mm 高)。目前提供 DigiReel、切带和卷带等形式(图 6)。其他规格包括:

. 电容范围:6.8 µF 至 470 µF
. 电容公差:±20% 和 +10%/-35%
. 额定电压:2 Vdc 至 16 Vdc
. ESR:6 mΩ 至 70 mΩ
. 工作温度:-40°C 至 +105°C


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图 6:ECAS 聚合物铝电容器有 DigiReel、切带和卷带等形式,外壳尺寸有 D3、D4、D6 和 D9。

Murata最近扩展了 ECAS 系列,包括 330 µF (±20%) 6.3 V 器件,如 ECASD60J337M009KA0,其 ESR 为 9 mΩ,外壳尺寸为 D4。电容值高有助于改善纹波平滑,所需的电容器数量更少,从而缩小整个解决方案的尺寸。

例如,当用于过滤切换频率 300 kHz 的 DC-DC 转换器的输出时,ECASD40D337M006KA0 330 µF (±20%)、ESR 为 6 mΩ 的 2 V 聚合物铝电容器将产生 13 mVp-p 纹波电压,相比之下,ESR 为 15 mΩ 的铝聚合物电容器产生的纹波电压为 36 mVp-p,或者 ESR 为 900 mΩ 的铝电解电容器产生的纹波电压为 950 mVp-p。

ECAS电容器的其他示例包括 ECASD40D157M009K00,额定值为 150 μF (±20%) 和 2 Vdc,ESR 为 9 mΩ,采用 D4 外壳,以及 ECASD41C686M040KH0,额定值为 68 μF (±20%) 和 16 Vdc,ESR 为 40 mΩ,也采用 D4 外壳。ECAS 聚合物铝电容器的特性包括:

. 高电容与低 ESR 相结合
. 在施加 DC 电压/温度/高频率的情况下具有稳定的电容值
. 出色的纹波吸收、平滑和瞬态响应
. 无需电压降额
. 消除陶瓷电容器产生的声学噪声(压电效应)
. 产品上注明极性条(正)
. 表面贴装结构
. 符合 RoHS 规范
. 无卤素
. MSL 3 封装

设计考虑因素

ECAS聚合物铝电解电容器针对电源管理应用进行了优化;不建议将其用于时间常数电路、耦合电路或对漏电流敏感的电路。ECAS 电容器并非针对串联进行设计。其他设计考虑因素包括:

. 极性:聚合物铝电解电容器是有极性的,必须以正确的极性连接。即使瞬时施加反向电压也会损坏氧化膜,损害电容器的性能。
. 工作电压:当这些电容器用于 AC 或纹波电流电路时,峰-峰电压 (Vp-p) 或偏移-峰电压(Vo-p)(包括 DC 偏置),必须保持在额定电压范围内。在可能出现瞬态电压的开关电路中,额定电压必须足够高,以包括瞬态峰值。
. 涌流:如果预计涌流超过 20 安培 (A),则需要额外的涌流限制,将峰值浪涌保持在 20 A。
. 纹波电流:ECAS 系列的每个型号都有禁止超过的额定纹波电流。过大的纹波电流会产生热量,可能损坏电容器。
. 工作温度:

在确定电容器的温度额定值时,设计人员需要考虑到应用的工作温度,包括设备内的温度分布和任何季节性温度因素。

电容器的表面温度必须保持在工作温度范围内,包括由特定应用因素(如纹波电流)引起的任何电容器自热。


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