为什么采用聚合物铝电解电容器可以解决电源设计的痛点？

作者：Jeff Shepard

关键词：聚合物铝电解电容，电源设计，功率输出

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，聚合物铝电解电容器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。

本文概述了聚合物铝电解电容器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，接着探讨聚合物铝电解电容器的具体应用。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)。

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。

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）。

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。

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）。

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

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。

总结

对于功率输送系统的设计人员来说，要实现能效、性能、成本、稳定性、可靠性和外形尺寸的最佳平衡极其困难，特别是在为大型 IC（如 MCU、ASIC 和 FPGA）供电时，以及在支持 USB 应用的峰值功率需求时。电源信号链的主要部件之一是电容器，这些器件有许多特征有助于满足设计人员的要求 — 如果使用正确技术的话。

如上所示，聚合物铝电容器帮助设计人员找到了恰当的平衡。它们的结构确保在频率高达 500 kHz 时的低阻抗、低 ESR、良好的纹波平滑，以及良好的噪声抑制和电源线去耦。此外，它们不受 DC 偏置的限制，而且可以自愈，提高了运行的可靠性。由于不使用冲突材料，供应链也更可靠。总之，聚合物铝电容器为设计人员提供了更高性能的选择，以应对各种电源管理系统的要求。

******

如有任何问题，欢迎联系得捷电子DigiKey客服团队。

中国(人民币)客服
－ 400-920-1199
－ service.sh@digikey.com
－ QQ在线实时咨询 |QQ号：4009201199

中国(美金)／ 香港客服
－ 400-882-4440
－ 8523104-0500
－ china.support@digikey.com