鋁聚合物電解電容器的電氣性能及技術(shù)優(yōu)勢(shì)研究

鋁聚合物電解電容器

鋁電解電容器種類(lèi)很多，有的可以將ESR明顯減小，但是還是沒(méi)有質(zhì)的變化。ESR主要是由電解電容器的陰極電阻造成的，提高電解電容器的陰極材料電導(dǎo)率可以改善電解電容器的性能，而鋁聚合物電解電容器的有機(jī)聚合物陰極可以使電導(dǎo)率達(dá)到300ms/cm，甚至3000ms/cm，這種陰極材料可以使電解電容器的ESR非常低。

鋁聚合物電解電容器的結(jié)構(gòu)與普通鋁電解電容器相同，所不同的是引線式鋁聚合物電解電容器的陰極材料用有機(jī)半導(dǎo)體浸膏替代電解液。固態(tài)鋁聚合物貼片電容是結(jié)合了鋁電解電容和鉭電容的一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)。同傳統(tǒng)的鋁電解電容一樣，固態(tài)鋁聚合物貼片電容的陽(yáng)極鋁電極板、氧化鋁層通過(guò)陽(yáng)極氧化過(guò)程制作在上面。固態(tài)鋁聚合物貼片電容中，高導(dǎo)電率的聚合物電極薄膜沉積在氧化鋁上，作為陰極，炭和銀為陰極的引出電極，這一點(diǎn)與固態(tài)鉭電解電容器相似。

鋁聚合物電解電容器電氣性能

ESR和額定紋波電流

鋁聚合物電解電容器最大的特點(diǎn)是ESR很小，固態(tài)鋁聚合物貼片電容的ESR低于固態(tài)鉭，甚至低于鉭-聚合物組合電容，原因就是采用了固態(tài)導(dǎo)體聚合物，這就意味著承受紋波電流能力強(qiáng)。電解電容的ESR主要取決于電極的電阻，固態(tài)鋁聚合物電容的電極阻值比其它電極的阻值小得多，幾乎為0。

阻抗頻率特性

在低頻段（低于10kHz）和高頻段（高于20MHz），鋁聚合物電解電容器與低ESR鋁電解電容器、鉭電解電容器的性能相差不多。而在對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出整流濾波和數(shù)字電路的電源旁路最有效的中頻段，卻有著明顯的差別，特別是在1MHz左右，相差非常明顯。鋁聚合物電解電容器的阻抗最低，鉭電解電容器次之， ESR鋁電解電容器相對(duì)阻抗最高相差接近一個(gè)半數(shù)量級(jí)。表明鋁聚合物電解電容器在上述應(yīng)用中更加有效。

ESR與電容量的溫度特性

鋁聚合物電解電容器及用途相近的其它電容器的ESR溫度特性如圖1（a）所示。鋁聚合物電解電容器的ESR特性從-55℃到+105℃幾乎沒(méi)有變化，變化由大到小依次為鋁電解電容器、X5U陶瓷電容器、鉭電解電容器、X5P陶瓷電容器、鋁聚合物電解電容器，其中鋁電解電容器變化達(dá)數(shù)十倍。鋁聚合物電解電容器及用途相近的其它電容器的電容溫度特性如圖1（b）所示。鋁聚合物電解電容器的電容量在全溫度范圍內(nèi)變化不到15%，略高于鉭電解電容器，低于其它電容器。

圖1 電容器的溫度特性

電壓對(duì)電容量的影響

鋁聚合物電解電容器的電容量與施加電壓基本無(wú)關(guān)，而陶瓷電容器的電容量則隨外加電壓的增加而明顯下降（大約下降20%）。

鋁聚合物電解電容器的應(yīng)用

上電沖擊電流的抑制

由于鋁聚合物電解電容器的ESR極小，上電過(guò)程中電容器上沒(méi)有初始電壓，因此，將產(chǎn)生幅值很高的上電沖擊電流。一般情況下，應(yīng)將沖擊電流幅值限制在10A以下或低于允許紋波電流的10倍以下。通常的DC/DC變換器的輸入僅用一個(gè)低ESR電容器濾波，這時(shí)，如選用鋁聚合物電解電容器作為輸入濾波電容器（假設(shè)ESR和電源內(nèi)阻分別為90mW和50mW，輸入電壓為24V），其上電電流峰值可能達(dá)到：

　 （1）

遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁聚合物電解電容器的紋波電流承受能力。必須考慮上電過(guò)程的沖擊電流限制?？梢圆捎?a target="_blank">AC/DC變換器上電電流限制方法，如串聯(lián)限流電阻，見(jiàn)圖2（a），則：

（2）

這種電路的最大特點(diǎn)是電路極其簡(jiǎn)單，所付出的代價(jià)則是降低了變換器的效率，在輸入電壓較低的DC/DC變換器應(yīng)用中不宜采用。要解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用AC/DC變換器的方案，通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)，上電后經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲時(shí)間將限流電阻短路，如圖2（b）所示。這種電路的問(wèn)題是繼電器的體積與DC/DC變換器體積矛盾，以及控制繼電器所需的功率將影響變換器的效率。還可以在電源與DC/DC變換器的輸入端串接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，如圖2（c）所示，這個(gè)方案看起來(lái)似乎特別合理，但是對(duì)于低電壓輸入的DC/DC變換器，其熱態(tài)的電阻會(huì)影響變換器的效率，這種電路的缺點(diǎn)是在高溫環(huán)境下熱敏電阻將不能有效地起到限流作用。還可以采用熱插拔電路，如圖2（d）所示，能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)然也可以在變換器輸入部分串接一個(gè)帶有磁芯的電感， 允許的峰值電流為：

（3）；

得到其電感量的關(guān)系為：

（4）

當(dāng)輸入電壓為24V，輸入濾波電容器為22mF，限制電流在10A以下時(shí)的電感量為：

（5）

為防止限流電感釋放儲(chǔ)能時(shí)產(chǎn)生浪涌過(guò)壓，可以在限流電感上反并聯(lián)二極管。

圖2 限制上電電流的措施

用于輸出整流濾波時(shí)的短路電流限制

由于鋁聚合物電解電容器的ESR極小，用于輸出整流濾波時(shí)，由于負(fù)載短路或其它原因，會(huì)出現(xiàn)瞬間的高幅值放電電流。因此，具有鋁聚合物電解電容器的AC/DC變換器或DC/DC模塊，可以采用類(lèi)似熱插拔的電路抑制輸出短路電流。需要注意的是，這時(shí)的短路保護(hù)不再是關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，而是切斷變換器的輸出與外界的聯(lián)系。

對(duì)于負(fù)載的上電過(guò)程，如果負(fù)載的輸入濾波電容不是鋁聚合物電解電容器，通常無(wú)需特意限制輸出的放電電流值。其原因是，小的薄膜電容器的容量相對(duì)很小，上電的瞬時(shí)沖擊電流持續(xù)時(shí)間極短，或可以通過(guò)回路的寄生電感加以限制。而負(fù)載用鋁電解電容器作為輸入濾波，則由于鋁電解電容器的ESR相對(duì)很大，有效地限制了負(fù)載上電過(guò)程的沖擊電流。

鋁聚合物電解電容器的并聯(lián)及與其它電容器的并聯(lián)

為將鋁聚合物電解電容器的紋波電流限制在允許范圍內(nèi)，可以采用多個(gè)容量小的鋁聚合物電解電容并聯(lián)。如10V/4.7mF電容器的額定紋波電流為670mA，而10V/47mF、10V/470mF的鋁聚合物電解電容器的額定紋波電流分別為1620mA、4510mA，從紋波電流值考慮，一個(gè)10V/47mF和一個(gè)10V/470mF分別可以用兩個(gè)半和6.7個(gè)10V/4.7mF替代。同樣，10個(gè)10V/4.7mF可以流過(guò)6700mA的紋波電流，而一個(gè)10V/47mF僅能流過(guò)1620mA的紋波電流。因此，在紋波電流比較大的應(yīng)用中，可以考慮采用多個(gè)電容器并聯(lián)的方式，在開(kāi)關(guān)電源和電腦主板的電壓變換部分也常采用這種解決方案。由于寄生電感的作用，通常產(chǎn)生紋波電流的電路可以認(rèn)為是紋波電流源。這樣，濾波電容器的ESR與尖峰電壓的關(guān)系可以用式（6）表示：

（6）

其中，Vpeak、Ir分別為峰值電壓和紋波電流。

可以看到，若紋波電流峰值為5A，ESR為10mW，則紋波峰值電壓為50mV，若ESR為100mW，則紋波峰值電壓為500mV。10V/4.7mF、10V/47mF和10V/470mF鋁聚合物電解電容器的ESR分別為：240 mW、50 mW和13 mW，如果這個(gè)紋波電流峰值分別流過(guò)上述電容器，則會(huì)產(chǎn)生1200mV、250mV、75 mV紋波峰值電壓，如果用5個(gè)10V/47mF并聯(lián)，盡管容量?jī)H為235mF，但是ESR可以下降到10 mW，可以將紋波電壓峰值限制在50mV以?xún)?nèi)。

與其它種類(lèi)電容器并聯(lián)時(shí)，在低頻段，電容器呈容性，紋波電流根據(jù)電容量的比例分配。在中頻段則以ESR的倒數(shù)比例進(jìn)行分配，這是由于鋁聚合物電解電容器的ESR比鋁電解電容器和鉭電解電容器小得多，因此，將分得較大比例的紋波電流。在高頻段是按各電容器寄生電感的倒數(shù)比例進(jìn)行分配，寄生電感小的電容器將流過(guò)比較大的紋波電流。種類(lèi)不同但容量相同的電容器并聯(lián)時(shí)，若在某個(gè)頻段，各電容器分別呈現(xiàn)容性、阻性、感性，則呈現(xiàn)容性的電容器上的紋波電流最大，通常，這個(gè)呈現(xiàn)容性的電容器就是鋁聚合物電解電容器，這就需要注意鋁聚合物電解電容器上的紋波電流是否超過(guò)允許的紋波電流值。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以看出鋁聚合物電解電容器由于其結(jié)構(gòu)和材料的不同，具有明顯優(yōu)于其它電解電容器的特點(diǎn)。在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷、高效、可靠。

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