被動(dòng)元器件三分天下之鋁電解電容器的詳細(xì)講解

鋁電解電容器

電容器是與電阻、線圈并存的三大被動(dòng)元器件之一，是可反復(fù)進(jìn)行充電(電荷的蓄積)和放電的元器件。在被動(dòng)電子元器件的產(chǎn)品種類構(gòu)成中，電容器占比超半數(shù)份額，達(dá) 66%左右，三分天下占地兩分。其中，鋁電解電容市場(chǎng)占比達(dá) 34%，本文將從電容器件的淺談，引出主角-鋁電解電容器。

電容器實(shí)質(zhì)為將電介質(zhì)平行地夾在金屬板(電極)之間而構(gòu)成。如果向金屬板(電極)間施加直流電壓， 就可將電荷蓄積起來(lái)。這就是電容器的蓄電原理。被蓄積起來(lái)的電荷量叫做靜電電容，靜電電容C由絕緣體的介電常數(shù)ε、電極的表面積S、絕緣體的厚度d來(lái)決定?？赏ㄟ^增大絕緣體的介電常數(shù)ε，增大電極的表面積S，減薄絕緣體的厚度d來(lái)增大靜電電容C。

電容器是與電阻、線圈并存的三大被動(dòng)元器件之一，是可反復(fù)進(jìn)行充電(電荷的蓄積)和放電的元器件。在被動(dòng)電子元器件的產(chǎn)品種類構(gòu)成中，電容器占比超半數(shù)份額，達(dá) 66%左右，三分天下占地兩分。其中，鋁電解電容市場(chǎng)占比達(dá) 34%，本文將從電容器件的淺談，引出主角-鋁電解電容器。

電容器實(shí)質(zhì)為將電介質(zhì)平行地夾在金屬板(電極)之間而構(gòu)成。如果向金屬板(電極)間施加直流電壓，就可將電荷蓄積起來(lái)。這就是電容器的蓄電原理。被蓄積起來(lái)的電荷量叫做靜電電容，靜電電容C由絕緣體的介電常數(shù)ε、電極的表面積S、絕緣體的厚度d來(lái)決定?？赏ㄟ^增大絕緣體的介電常數(shù)ε，增大電極的表面積S，減薄絕緣體的厚度d來(lái)增大靜電電容C。

如前所述，電容器具有以下特性，即①能夠在瞬時(shí)進(jìn)行充電和放電；②直流不會(huì)通過，但交流則會(huì)通過；③頻率越高交流就越容易通過。故可以應(yīng)用于以下放電電路（瞬時(shí)性）、平滑電路和耦合電路（阻直通交）、去耦電路（通高頻）中。如前所述，電容器具有以下特性，即①能夠在瞬時(shí)進(jìn)行充電和放電；②直流不會(huì)通過，但交流則會(huì)通過；③頻率越高交流就越容易通過。故可以應(yīng)用于以下放電電路（瞬時(shí)性）、平滑電路和耦合電路（阻直通交）、去耦電路（通高頻）中。

圖1

電容器根據(jù)所使用的材料和結(jié)構(gòu)等有許許多多的種類。此外，特性種類而有所差異，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)這些特點(diǎn)來(lái)選擇。主要的電容器有固定電容器、可變電容器。其中固定電容器包含極性（主要是電解電容器、電氣雙層電容器）和非極性（陶瓷、薄膜電容器）。本文將主要以電解電容器中應(yīng)用較為廣泛的鋁電解電容器為主。

鋁電解電容器一般采用如圖2所示的結(jié)構(gòu)，在陽(yáng)極的鋁箔表面形成作為電介質(zhì)的鋁氧化被膜，電解質(zhì)(陰極)使用電解液，也起到修補(bǔ)氧化膜介質(zhì)的作用。通過對(duì)鋁箔的表面進(jìn)行蝕刻來(lái)形成凹凸以增大電極表面積(S)，再在極薄狀態(tài)下形成氧化被膜的厚度(d)而實(shí)現(xiàn)的，故而電容較大。電解電容的高容量也是犧牲了很多其它的特性換來(lái)的，比如具有較大的漏電流、較大的ESR、ESL，容值誤差較大、壽命短等。電解電容器的一些性質(zhì)主要取決于氧化膜和電解液，故其雖具有極性，但在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施后，也可制造出無(wú)極性的或用于交流的電解電容器。

圖2

根據(jù)使用方法和外觀等，作為電解電容領(lǐng)導(dǎo)者的臺(tái)灣至美電器將鋁電解電容器分為導(dǎo)電性高分子固態(tài)鋁電解電容器、表面黏著型鋁電解電容器、螺栓式鋁電解電容器、直立式/臥式鋁電解電容器、大型鋁解電容器（圖4）。如圖3所示為其中兩種的結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖3

圖4

根據(jù)組成電解電容可等效為如圖 5 所示的電路。其中，R1:電極和引出端子的電阻；R2:陽(yáng)極氧化膜和電解質(zhì)的電阻；R3:損壞的陽(yáng)極氧化膜的絕緣電阻；D1:具有單向?qū)щ娦缘年?yáng)極氧化膜；C1:陽(yáng)極箔的容量；C2:陰極箔的容量；L :電極及引線端子引起的等效電感。這些小參數(shù)和結(jié)構(gòu)決定了電解電容的總體參數(shù)。

圖5

在選用電解電容時(shí)，要主要考慮以下幾個(gè)總體參數(shù)：溫度系數(shù)、 額定工作電壓、絕緣電阻、損耗、頻率特性。溫度系數(shù)主要考慮到電解電容受熱影響大，故而在使用時(shí)需要盡 量避開熱源如大功率管、變壓器等。（電解電容器的耐溫性能很差， 如果工作電壓超過允許值，介質(zhì)損耗將增大，很容易導(dǎo)致溫升過高， 最終導(dǎo)致?lián)p壞。）

額定工作電壓與電容器的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)材料和介質(zhì)的厚度有關(guān)。超 過額定工作電壓，電解電容內(nèi)部電解質(zhì)極化，引起漏電流大大增加， 于是介質(zhì)的絕緣性能遭到破壞，使兩個(gè)極板短接（介質(zhì)擊穿），完全 喪失電容的作用，電容器被毀壞。（電容器的額定工作電壓應(yīng)高于實(shí) 際工作電壓，并留有足夠余量，以防因電壓波動(dòng)而導(dǎo)致?lián)p壞。一般而言，應(yīng)使工作電壓低于電容器的額定工作電壓的 10%~20%。在某些 電路中，電壓波動(dòng)幅度較大，可留有更大的余量。）

電解電容器的絕緣電阻一般較小。電容器漏電的大小用絕緣電阻 來(lái)衡量。電容器漏電越小越好，也就是絕緣電阻越大越好。損耗是在電場(chǎng)作用下，電容器單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱而消耗的能量。頻率特性通常是指電容器的電參數(shù)（如電容量、損耗角正切值等）隨電場(chǎng)頻率而變化的性質(zhì)。在高頻下工作的電容器，由于介電常數(shù)在高頻時(shí)比低頻時(shí)小，因此電容量將相應(yīng)地減小。與此同時(shí)，它的損耗將隨頻率的升高而增加。

這些參數(shù)決定了電容選取是否得到，應(yīng)用是否合規(guī)。一旦操作出現(xiàn)問題，一些故障模式便出現(xiàn)了。電解電容產(chǎn)生選用不當(dāng)或長(zhǎng)時(shí)間工作或工作環(huán)境惡劣易出現(xiàn)如圖5的問題，出現(xiàn)問題是可能是使用原因，對(duì)于采用了非正規(guī)廠家制造的產(chǎn)品時(shí)還會(huì)出現(xiàn)制造問題帶來(lái)的原罪。

圖6

在應(yīng)用時(shí)，考慮前文的參數(shù)，也需要明確鋁電解電容器的優(yōu)缺點(diǎn)，更要明確在使用不當(dāng)時(shí)帶來(lái)的后果，從而謹(jǐn)慎選擇電容器。如圖5長(zhǎng)時(shí)間使用、過高的紋波電流、急速充放電、施加AC電壓等都會(huì)帶來(lái)惡劣的影響。比如允許的最大紋波電流，如果鋁電解電容器受到過度的紋波電流的影響，電解液將會(huì)由于不正常的自加熱溫度而迅速干燥，從而縮短了壽命。這種電容器可能會(huì)由于產(chǎn)生氣體的內(nèi)部壓力而爆裂。所以，應(yīng)用得當(dāng)很重要。

雖然運(yùn)用不當(dāng)會(huì)有一定的威脅，然而，鋁電解電容具有的優(yōu)點(diǎn)也是不可忽略的。相比電路板上應(yīng)用更廣泛的陶瓷、薄膜電容器，鋁電解電容器的電容值更大（以單位體積和電壓等級(jí)而言），所以具有較高的容積效率。因此，電解電容器的單位體積電容比任何其他類型的電容器都高。其次，大多數(shù)鋁電解電容器的額定電壓要高于其他類型的電容器。又有，這些電容器具有極高的儲(chǔ)能能力，因?yàn)樗鼈兗扔懈唠娙葜?，又具有高額定電壓。電容器中存儲(chǔ)的能量隨電容值線性增加，隨電壓呈指數(shù)增加。

這些優(yōu)點(diǎn)，使得在開關(guān)電源中電解電容應(yīng)用廣泛。同時(shí)，前文提到的具有較大的漏電流、較大的等效串聯(lián)電感和電阻、容值誤差較大、壽命短、怕熱等缺點(diǎn)也是應(yīng)用時(shí)必須考慮到的。鋁電解電容器不僅具有較高的單位體積電容值，而且?guī)缀蹩捎糜谌魏坞娮酉到y(tǒng)，包括用于過濾不需要的交流頻率，以及在一些應(yīng)用中用于儲(chǔ)存能量。此外，由于它提供高電容值和低阻抗，因此也常用于DC-DC變換器、逆變器和電源之中。

一般在電路中用于低頻耦合、旁路去耦等，電氣性能要求不嚴(yán)格時(shí)可以采用電解電容器。低頻放大器的耦合電容器，選用1-22μF的電解電容器。旁路電容器根據(jù)電路工作頻率來(lái)選，如在低頻電路中，發(fā)射極旁路電容選用電解電容器。在電源濾波和退耦電路中，可選用電解電容器。因?yàn)樵谶@些場(chǎng)合中對(duì)電容器的要求不高，只要體積允許、容量足夠就可以。此外，將兩個(gè)同樣的電解電容背靠背封裝在一起，可以作為無(wú)極性電解電容，損耗大、可靠性低、耐壓低，只能用于少數(shù)要求不高的場(chǎng)合?。

全球鋁電解電容器應(yīng)用領(lǐng)域的用量比例為消費(fèi)性電子產(chǎn)品占45%，工業(yè)占23%，資訊13%，通信7%，汽車5%，其他7%。監(jiān)視器、CD音響、電視機(jī)、電源供應(yīng)器及主機(jī)板產(chǎn)品是鋁電解電容器最典型的應(yīng)用。隨著電子設(shè)備的小型化，越來(lái)越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、更低ESL，更高耐壓性能、無(wú)鉛化，這也是電解電容器今后的發(fā)展方向。

臺(tái)灣至美是最早開發(fā)50V~160V固態(tài)電容，最早開發(fā)大尺寸8x21、10x21mm固態(tài)電容的廠商。在電源方面有臺(tái)積電、科風(fēng)、Vicor這樣的客戶；在工業(yè)電腦方面有研華、新漢；在消費(fèi)電子有英偉達(dá)；在汽車電子有比亞迪、長(zhǎng)安等客戶；市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富。為加強(qiáng)客戶合作，至美建立了電子應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，模擬客戶產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景，預(yù)判失效模式，為提升產(chǎn)品品質(zhì)做出極大努力，良率高達(dá)98%；在生產(chǎn)方面做到了自動(dòng)化產(chǎn)線，臥式電解電容器是全球唯一的全自動(dòng)化生產(chǎn)商；可做到150℃的高溫產(chǎn)品，250wv的高壓產(chǎn)品，3300uF的大容量產(chǎn)品。

全新推出的導(dǎo)電高分子固態(tài)鋁電解電容器，可達(dá)到160V額定電壓，突破性地做到了小尺寸高容量，且在125℃時(shí)仍可穩(wěn)定工作。至美電解電容，品質(zhì)穩(wěn)定，技術(shù)前沿。

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