中心論題：
- 聚合物片式疊層鋁電解電容器的特點(diǎn)。
- PA-Cap的應(yīng)用。
- 吸收噪聲性能測(cè)試電路介紹。
- 尺寸小適合小型化的電子產(chǎn)品。
- 無須降壓使用綠色環(huán)保。
- 低的ESR允許大的紋波電流。
- 溫度系數(shù)低的導(dǎo)電高分子作為電解質(zhì)在寬溫區(qū)域內(nèi)具有良好的溫度特性。
引言
近年來，隨著電子設(shè)備電源電路的高頻化，輕薄短小化及表面貼裝技術(shù)發(fā)展的需求，鋁電解電容器逐步向著小型化、大容量、低ESR和高可靠性發(fā)展，尤其需要具備優(yōu)異的高頻特性，為了適應(yīng)高頻波段低阻抗的需要，許多公司開發(fā)了以導(dǎo)電高分子作為電容器的固體電解質(zhì)。 PA-Cap○R是“聚合物片式疊層鋁電解電容器”的英文縮寫 ，也是福建國(guó)光電子科技股份公司自主研發(fā)的新一代鋁電解電容器的注冊(cè)商標(biāo)。PA-Cap采用鋁箔作為陽極,三氧化二鋁作為電介質(zhì),固態(tài)的高分子導(dǎo)電聚合物作為陰極，疊片而成。
PA-Cap的特點(diǎn)
由于采用固態(tài)的高分子導(dǎo)電聚合物作為電解質(zhì)，使得PA-Cap具有如下特點(diǎn)：
1. 尺寸小，最大為E殼，很適合小型化的電子產(chǎn)品。
2. 額定電壓范圍2~16V，容量范圍3.3~330μF，容量與標(biāo)稱容量允許偏差為±20%（M級(jí)），損耗角正切 ≦ 0.06 (120Hz)，漏電流 ≦ 0.04CV。
3. 等效串聯(lián)電阻（ESR）低 ，最低的ESR可達(dá)8mΩ（100KHz）。
4. 溫度特性穩(wěn)定，如圖1所示在-55~+105℃工作溫度范圍內(nèi)，容量、ESR變化幅度小。
5. 頻率特性優(yōu)良，如圖2所描述，在中頻段（10KHz~20MHz），其ESR比鉭電解電容和液體鋁電解電容還要低，特別是在100 KHz~1MHz之間，相差非常明顯。
6. 長(zhǎng)壽命、高可靠性，+105℃下壽命為1000h，相當(dāng)于在+55℃下可工作36年。
7. 無須降壓使用;采用無鉛封裝，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn),綠色環(huán)保.
8. 出現(xiàn)失效時(shí)不會(huì)爆炸、燃燒，比一般鉭電解電容器安全.
圖1. PA-Cap溫度特性曲線
圖2. PA-Cap、聚合物鉭電容、普通鉭電容的容量隨頻率變化
PA-Cap的應(yīng)用
PA-Cap的應(yīng)用范圍很廣，本文重點(diǎn)介紹在DC/DC轉(zhuǎn)換器或開關(guān)電源輸出電容、噪聲吸收和高速保護(hù)方面的應(yīng)用，并與其他電解電容器進(jìn)行對(duì)比。
a DC/DC轉(zhuǎn)換器或開關(guān)電源輸出電容
由于電子產(chǎn)品的工作電壓不斷地降低，而其功耗卻在增大, 這就要求DC/DC轉(zhuǎn)換器具有輸出電壓低和輸出電流高等特點(diǎn)。作為DC/DC轉(zhuǎn)換器或開關(guān)電源輸出電容，要求在開關(guān)管的工作頻率附近具有較低的紋波電壓。為了觀察PA-Cap在開關(guān)管一般工作頻率下的紋波電壓效果，進(jìn)行了如圖3所示的測(cè)試，其中的參數(shù)示于表1中。
圖3. 開關(guān)電源濾波測(cè)試電路
表1. 開關(guān)電源測(cè)試電路參數(shù)
現(xiàn)分別用1只2V/220μF PA-Cap或2V/220μF松下公司聚合物固體疊層鋁電解電容器（SP-Cap）接在輸出電容Cout位置，測(cè)試其濾波效果。輸出波形如圖4和圖5所示：
圖4. 300KHz時(shí)PA-Cap 濾波效果
圖5. 300KHz時(shí)SP-Cap濾波效果
如上面的濾波效果顯示，當(dāng)開關(guān)電源頻率在300KHz左右時(shí)，同種規(guī)格的PA-Cap的輸出均方根與SP-Cap的很接近，所以PA-Cap濾波效果基本接近于SP-Cap。由于具有低的ESR、允許的紋波電流大，所以PA-Cap也是DC/DC轉(zhuǎn)換器或開關(guān)電源輸出電容的優(yōu)選電容之一。
b 噪聲吸收
對(duì)于高質(zhì)量聲音影像的儀器設(shè)備來說，需要溫度穩(wěn)定性和消除高頻噪聲的能力。用于降低噪聲的電容高頻低阻，即具備低ESR和低ESL。但是，ESR過低，使得電容成為一個(gè)LC濾波器，產(chǎn)生諧振引起共振。電容的依存性很大程度上取決于它的電解質(zhì)。PA-Cap采用溫度系數(shù)低的導(dǎo)電高分子作為電解質(zhì)，在寬溫區(qū)域內(nèi)具有良好的溫度特性。
吸收噪聲性能的測(cè)試電路示意圖如圖6所示，不同溫度下測(cè)試2V/220μF結(jié)果如圖7、8所示：
圖6. 噪聲吸收測(cè)試電路示意圖
圖7. 室溫下均方根隨頻率變化
圖8. 55度時(shí)均方根隨頻率變化
如上述圖7、8曲線所示： 頻率在100 KHz～500 KHz內(nèi)，輸入峰-峰電壓為8V，負(fù)載為50Ω時(shí)，接上PA-Cap的輸出均方根不超過2mV，吸收了近99%的噪聲。所以，100 KHz～500 KHz為 PA-Cap理想工作頻率范圍。而且，不管在室溫還是在55度下，10 KHz～1 MHz頻率范圍內(nèi)， PA-Cap噪聲吸收性能基本接近于SP-Cap。PA-Cap的溫度穩(wěn)定性和消除高頻噪聲能力也是相當(dāng)優(yōu)秀的。
c 高速保護(hù)
在全球節(jié)能的浪潮中，電子產(chǎn)品使用的IC，特別是MPU（微處理器）正超著高速度、低工作電壓方向發(fā)展。低工作電壓化帶來了MPU的負(fù)載電流呈增加的趨勢(shì)。MPU從休眠狀態(tài)向高速突變時(shí)，MPU的負(fù)載變化劇烈，負(fù)載電流急劇變化，引起了電源線路的電壓變動(dòng)導(dǎo)致MPU的誤操作。為了防止這種情況的出現(xiàn)，在MPU電源瞬態(tài)響應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在陶瓷電容附近提供一個(gè)電荷備用庫(kù)。這個(gè)電荷備用庫(kù)是通過低ESR、低ESL、大容量的電解電容來實(shí)現(xiàn)。過去一般應(yīng)用鉭電容作為電荷備用庫(kù)，顧慮到現(xiàn)火災(zāi)隱患，現(xiàn)避免使用選用該類元件。
圖9為高速保護(hù)測(cè)試電路，CT為測(cè)試電容——16 V/220μF普通鉭電容、4V/82μF PA-Cap。
圖9. 高速保護(hù)測(cè)試電路
圖10. 16 V/220μF普通鉭電容的測(cè)試波形
圖11 . 4V/82μF PA-Cap的測(cè)試波形
當(dāng)MPU的負(fù)載電流急劇增大時(shí)，由于PA-Cap的ESR比普通鉭電容小很多，所以接上PA-Cap的電源電壓下降只有66mV比普通鉭電容小好幾倍（如圖10、11所示），達(dá)到良好的去耦效果。PA-Cap不僅去耦效果好，而且不燃燒不爆炸，是MPU等數(shù)字電路作為高速保護(hù)備用電荷庫(kù)的優(yōu)選電容之一。
結(jié)束語
新型電容器——PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平，具有超越現(xiàn)有液體鋁電解電容器和固體鉭電解電容器的卓越電性能；穩(wěn)定的頻率特性和溫度特性，寬溫長(zhǎng)壽命高可靠性。廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、平板顯示器、移動(dòng)DVD、通訊電源、汽車電子、儀器儀表等高端數(shù)字化電子中。
參考文獻(xiàn)
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[3] 日本三洋公司產(chǎn)品資料
[4] 日本松下公司產(chǎn)品資料
[5] Yining Zhang等 Multilayer Polymer Aluminium Electrolytic Capacitors with Polypyrrole as Cathode Material [A]. CARTS USA 2008,pp433-437
作者簡(jiǎn)介：
張易寧，男，博士，福建國(guó)光新型電子元件與材料研究院院長(zhǎng),福建國(guó)光電子科技股份有限公司副總經(jīng)理,研究方向?yàn)樾滦筒牧吓c元器件。
陳由雄，男，分析應(yīng)用工程師，研究方向?yàn)殡娮釉鳌?/p>
