為什么采用聚合物鋁電解電容器可以解決電源設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)？

在設(shè)計(jì) USB 電源以及電子系統(tǒng)和子系統(tǒng)（包括 IC、特定應(yīng)用 IC (ASIC)、中央處理器 (CPU) 和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)）的功率輸送解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)不斷尋找方法來提高效率，同時(shí)確保以緊湊的外形尺寸在寬溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定、無噪聲的功率。他們需要提高效率、穩(wěn)定性和可靠性，降低成本，并縮小解決方案的外形尺寸。同時(shí)，還必須滿足應(yīng)用中不斷增多的功率性能要求，包括平滑處理電源電路的輸入和輸出電流、支持峰值功率需求以及抑制電壓波動(dòng)。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員需要具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和高頻低阻抗的電容器，以支持紋波吸收并確保平滑的快速瞬態(tài)響應(yīng)。此外，運(yùn)營可靠性和供應(yīng)鏈可靠性也很重要。

縱觀這些問題和選項(xiàng)，聚合物鋁電解電容器是一個(gè)很好的解決方案，具有較高電氣性能和穩(wěn)定性，噪聲低、可靠性佳、外形尺寸緊湊，并且由于不使用沖突材料，供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)低。它們具備低 ESR（通常以毫歐 (mΩ) 為單位測(cè)量）和高頻（高達(dá) 500 千赫茲 (kHz)）低阻抗，并且提供出色的噪聲抑制、紋波吸收和電源線去耦性能。此外，在高工作頻率和溫度下也具有電容穩(wěn)定性。

本文概述了聚合物鋁電解電容器的工作原理和制造方法。文中將這些電容器的性能與替代性電容器技術(shù)進(jìn)行比較，接著探討聚合物鋁電解電容器的具體應(yīng)用。最后則回顧了 Murata 的代表性器件，以及設(shè)計(jì)人員使用這些電容器時(shí)需要注意的應(yīng)用問題。

聚合物鋁電容器是如何制造的？

聚合物鋁電容器包括蝕刻的鋁箔陽極、鋁氧化膜電介質(zhì)以及導(dǎo)電聚合物陰極（圖 1）。根據(jù)具體器件的不同，電容范圍為 6.8 至 470 微法 (μF)，電壓范圍為 2 至 25 伏直流電 (Vdc)。

圖 1：聚合物鋁電解電容器模型展示了蝕刻鋁箔陽極（左）、鋁氧化膜電介質(zhì)（中）和導(dǎo)電聚合物陰極（右）之間的關(guān)系。（圖片來源：Murata）

在 Murata 的 ECAS 系列器件中，蝕刻的鋁箔直接貼在正電極上，而導(dǎo)電聚合物則用碳糊覆蓋，并使用導(dǎo)電銀漿連接到負(fù)電極上（圖 2）。整個(gè)結(jié)構(gòu)以模壓環(huán)氧樹脂包覆，以提供機(jī)械強(qiáng)度和保護(hù)環(huán)境。由此形成扁平的無鹵素表面貼裝封裝，濕氣敏感性等級(jí) (MSL) 為 3 級(jí)。鋁箔和氧化膜的多層（層壓）結(jié)構(gòu)使得 Murata 的 ECAS 系列有別于典型的鋁電解電容器，如使用聚合物或電解質(zhì)作為陰極的罐式纏繞結(jié)構(gòu)。

圖 2：ECAS 系列聚合物鋁電容器器件結(jié)構(gòu)展示了導(dǎo)電聚合物（粉紅色）、蝕刻鋁箔（白色）、鋁 (Al) 氧化膜（藍(lán)色）、連接導(dǎo)電聚合物和負(fù)極的碳糊（棕色）和銀漿（深灰色），以及環(huán)氧樹脂外殼。（圖片來源：Murata）

層壓結(jié)構(gòu)和材料選擇組合使 ECAS 電容器具有電解電容器的最低 ESR。ECAS 系列聚合物鋁電容器的電容可與聚合物鉭 (Ta) 電容器、鉭二氧化錳 (MnO2) 電容器和多層陶瓷電容器 (MLCC) 媲美，其 ESR 則與 MLCC 相當(dāng)，低于聚合物或 MnO2 鉭電容器（圖 3）。

圖 3：與 MLCC 相比，聚合物鋁電容器（ECAS 系列）具有更高的電容值和相當(dāng)?shù)?ESR，另外其 ESR 也較低，并且電容與鉭和罐式鋁電容器相當(dāng)。（圖片來源：Murata）

對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，鋁電解電容器和鉭 (MnO2) 電容器可以提供相對(duì)便宜的解決方案。傳統(tǒng)的鋁或鉭電解電容器使用電解質(zhì)或二氧化錳 (MnO2) 作為陰極。ECAS 電容器使用導(dǎo)電聚合物陰極，因而 ESR 更低、熱特性更穩(wěn)定、安全性提高、使用壽命更長（圖 4）。MLCC 雖然相對(duì)便宜，但卻存在其他電容器技術(shù)所沒有的直流偏置特性。

圖 4：聚合物鋁電容器提供的基本特性組合包括低 ESR、直流偏置特性、溫度特性、使用壽命和可靠性。（圖片來源：Murata）

直流偏置特性是指 MLCC 在外加 DC 電壓下的電容變化。隨著施加的 DC 電壓增加，MLCC 的有效電容會(huì)減少。當(dāng) DC 偏置增加到幾伏時(shí)，MLCC 的標(biāo)稱電容值會(huì)損失 40% 至 80%，因此不適合許多電源管理應(yīng)用。

聚合物鋁電解電容器的性能特點(diǎn)使其非常適用于電源管理應(yīng)用，包括 CPU、ASIC、FPGA 和其他大型 IC 的電源，并支持 USB 電源系統(tǒng)的峰值功率需求（圖 5）。

圖 5：例 1（上）：目標(biāo)應(yīng)用使用的電源管理電路中的聚合物鋁電容器，用于消除紋波以及平滑并穩(wěn)定電壓源。例 2（下）：聚合物鋁電容器可以支持 USB 電源系統(tǒng)的峰值功率需求。（圖片來源：Murata）

聚合物鋁電容器具有低 ESR、低阻抗和穩(wěn)定的電容，非常適用于平滑和消除紋波等應(yīng)用，特別是在電流負(fù)載波動(dòng)較大的電源線上。在這些應(yīng)用中，聚合物鋁電容器可以與 MLCC 組合使用。

聚合物鋁電容器提供電源管理功能，而 MLCC 則過濾 IC 電源引腳的高頻噪聲。聚合物鋁電容器還支持 USB 電源系統(tǒng)的峰值功率需求，同時(shí)保持較小的印刷電路板基底面。

聚合物鋁電容器

根據(jù)額定值，ECAS 聚合物鋁電容器有四種 EIA 7343 公制外殼尺寸：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、切帶和卷帶等形式（圖 6）。其他規(guī)格包括：

. 電容范圍：6.8 μF 至 470 μF
. 電容公差：±20% 和 +10%/-35%
. 額定電壓：2 Vdc 至 16 Vdc
. ESR：6 mΩ 至 70 mΩ
. 工作溫度：-40°C 至 +105°C

圖 6：ECAS 聚合物鋁電容器有 DigiReel、切帶和卷帶等形式，外殼尺寸有 D3、D4、D6 和 D9。（圖片來源：Murata）

Murata最近擴(kuò)展了 ECAS 系列，包括 330 μF (±20%) 6.3 V 器件，如 ECASD60J337M009KA0，其 ESR 為 9 mΩ，外殼尺寸為 D4。電容值高有助于改善紋波平滑，所需的電容器數(shù)量更少，從而縮小整個(gè)解決方案的尺寸。

例如，當(dāng)用于過濾切換頻率 300 kHz 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出時(shí)，ECASD40D337M006KA0 330 μF (±20%)、ESR 為 6 mΩ 的 2 V 聚合物鋁電容器將產(chǎn)生 13 mVp-p 紋波電壓，相比之下，ESR 為 15 mΩ 的鋁聚合物電容器產(chǎn)生的紋波電壓為 36 mVp-p，或者 ESR 為 900 mΩ 的鋁電解電容器產(chǎn)生的紋波電壓為 950 mVp-p。

ECAS電容器的其他示例包括 ECASD40D157M009K00，額定值為 150 μF (±20%) 和 2 Vdc，ESR 為 9 mΩ，采用 D4 外殼，以及 ECASD41C686M040KH0，額定值為 68 μF (±20%) 和 16 Vdc，ESR 為 40 mΩ，也采用 D4 外殼。ECAS 聚合物鋁電容器的特性包括：

. 高電容與低 ESR 相結(jié)合
. 在施加 DC 電壓/溫度/高頻率的情況下具有穩(wěn)定的電容值
. 出色的紋波吸收、平滑和瞬態(tài)響應(yīng)
. 無需電壓降額
. 消除陶瓷電容器產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲（壓電效應(yīng)）
. 產(chǎn)品上注明極性條（正）
. 表面貼裝結(jié)構(gòu)
. 符合 RoHS 規(guī)范
. 無鹵素
. MSL 3 封裝

設(shè)計(jì)考慮因素

ECAS聚合物鋁電解電容器針對(duì)電源管理應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化；不建議將其用于時(shí)間常數(shù)電路、耦合電路或?qū)β╇娏髅舾械碾娐?。ECAS 電容器并非針對(duì)串聯(lián)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其他設(shè)計(jì)考慮因素包括：

. 極性：聚合物鋁電解電容器是有極性的，必須以正確的極性連接。即使瞬時(shí)施加反向電壓也會(huì)損壞氧化膜，損害電容器的性能。
. 工作電壓：當(dāng)這些電容器用于 AC 或紋波電流電路時(shí)，峰-峰電壓 (Vp-p) 或偏移-峰電壓(Vo-p)（包括 DC 偏置），必須保持在額定電壓范圍內(nèi)。在可能出現(xiàn)瞬態(tài)電壓的開關(guān)電路中，額定電壓必須足夠高，以包括瞬態(tài)峰值。
. 涌流：如果預(yù)計(jì)涌流超過 20 安培 (A)，則需要額外的涌流限制，將峰值浪涌保持在 20 A。
. 紋波電流：ECAS 系列的每個(gè)型號(hào)都有禁止超過的額定紋波電流。過大的紋波電流會(huì)產(chǎn)生熱量，可能損壞電容器。
. 工作溫度：

在確定電容器的溫度額定值時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮到應(yīng)用的工作溫度，包括設(shè)備內(nèi)的溫度分布和任何季節(jié)性溫度因素。

電容器的表面溫度必須保持在工作溫度范圍內(nèi)，包括由特定應(yīng)用因素（如紋波電流）引起的任何電容器自熱。

總結(jié)

對(duì)于功率輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來說，要實(shí)現(xiàn)能效、性能、成本、穩(wěn)定性、可靠性和外形尺寸的最佳平衡極其困難，特別是在為大型 IC（如 MCU、ASIC 和 FPGA）供電時(shí)，以及在支持 USB 應(yīng)用的峰值功率需求時(shí)。電源信號(hào)鏈的主要部件之一是電容器，這些器件有許多特征有助于滿足設(shè)計(jì)人員的要求 — 如果使用正確技術(shù)的話。

如上所示，聚合物鋁電容器幫助設(shè)計(jì)人員找到了恰當(dāng)?shù)钠胶狻Ｋ鼈兊慕Y(jié)構(gòu)確保在頻率高達(dá) 500 kHz 時(shí)的低阻抗、低 ESR、良好的紋波平滑，以及良好的噪聲抑制和電源線去耦。此外，它們不受 DC 偏置的限制，而且可以自愈，提高了運(yùn)行的可靠性。由于不使用沖突材料，供應(yīng)鏈也更可靠?？傊?，聚合物鋁電容器為設(shè)計(jì)人員提供了更高性能的選擇，以應(yīng)對(duì)各種電源管理系統(tǒng)的要求。

（作者：Jeff Shepard，來源： 得捷電子DigiKey）