鉭固體電解電容

引言：在陽極上采用鉭燒結(jié)體，與MnO2型（傳送門Capacitor-5：MnO2鉭固體電解電容器）不同，在陰極上使用高電導(dǎo)性的導(dǎo)電性高分子，高分子型鉭固體電解電容因而實(shí)現(xiàn)了較低的ESR，具有優(yōu)異的高頻率特性。此外通過大幅度的小型化偏平化，成為最適合于電子設(shè)備的小型化和薄型化的薄片電容器。由于具有自修復(fù)功能，其可靠性、耐熱性非常好。

1.鉭固體電解電容的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

鉭固體電解電容在阻抗理想的頻率特性下，最適合于用作各種噪聲除去用的去耦電器。可以讓更多的脈動(dòng)電流流過，最適合于用作開關(guān)電源的平滑用，而在大電流的電路中，作為CPU周圍的負(fù)荷變動(dòng)用儲(chǔ)能電容器。

鉭固體電解電容壽命長(zhǎng)，在105 ℃下保證2000小時(shí)的使用壽命。高耐沖擊電流，通過自修復(fù)功能，保證耐受20A的沖擊電流。寬廣的容量范圍3.9μF～1500μF，通過各種系列的產(chǎn)品陣容，覆蓋寬廣的容量范圍。優(yōu)異的溫度特性，在-55℃～125℃的范圍內(nèi)，保持ESR穩(wěn)定，高可靠性和高耐壓。

陽極材料：是以將鉭的金屬粉末與電極引出用鉭絲一體成型燒固而成的鉭燒結(jié)體為陽極材料，以在其表面形成的氧化皮膜為電介質(zhì)，將導(dǎo)電性高分子使用到電解質(zhì)中而制成的固體電解電容器。陽極材料的鉭燒結(jié)體為多孔質(zhì)的結(jié)構(gòu)，因此直到燒結(jié)體的內(nèi)部具有較大的表面積。對(duì)于電容器來說，此表面積越大，越可獲得較高的靜電電容。

電解質(zhì)（陰極材料）：電解質(zhì)中所使用的導(dǎo)電性高分子，具有非常高的電導(dǎo)率。( 是一般的鉭電容器中所使用的二氧化錳的大約1000倍 ) 電導(dǎo)率越高，越可實(shí)現(xiàn)低 ESR。

圖6-1：剖面結(jié)構(gòu)圖

鉭固體電解電容在電解質(zhì)中采用導(dǎo)電性高分子，導(dǎo)電性高分子屬于有機(jī)物，具有在比較低的溫度( 大約 300 ℃) 下絕緣化的特征，具有抑制流經(jīng)電介質(zhì)氧化皮膜微小缺陷的漏電流的功能，我們將其功能叫做自修復(fù)功能。此外導(dǎo)電性高分子對(duì)于回流焊錫具有充分的耐熱性，回流焊后也照樣維持較高的電導(dǎo)率。

電解質(zhì)中所使用的導(dǎo)電性高分子，其成分中不含氧分子。由于沒有氧分子，即使在萬一出現(xiàn)電介質(zhì)氧化皮膜無法修復(fù)的裂紋，成為短路狀態(tài)的情況下，在鉭金屬與電解質(zhì)之間也不會(huì)引起顯著的氧化反應(yīng)。

2.故障模式和特性

陰極材料料雖然是導(dǎo)電性聚合物，但是屬于鉭電解電容器的一種，故障模式主要是短路故障 ( 回流焊時(shí)的熱沖擊引發(fā)的短路故障 )。此外在超過保證時(shí)間使用等的情況下，還會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)性的靜電電容減少，ESR增大的故障。另一方面，由于是陰極中使用了有機(jī)物 ( 導(dǎo)電性聚合物 ) 的電容器，因而存在與導(dǎo)電性聚合物的劣化等引起的靜電電容的緩慢減少相伴的磨耗劣化。

頻率特性：

鉭固體電解電容的最大的特征是優(yōu)異的頻率特性，通過在電解質(zhì)中使用電導(dǎo)率高的導(dǎo)電性高分子，ESR跟以往的鉭電容器（MnO2）相比得到大幅度的改善，獲得了優(yōu)異的頻率特性。

圖6-2左：與鋁電解電容器相比。如果對(duì)共振頻率附近處的阻抗進(jìn)行比較就可獲知，鉭固體電解電容的阻抗比其他電容器低1位數(shù)以上。

圖6-2右：對(duì)阻抗及ESR的頻率特性進(jìn)行了比較。其共振頻率因低ESL特性而升高，減低了高頻率區(qū)的阻抗。

圖6-2：頻率特性和阻抗/ESR比較

高溫和低溫特性：

鉭固體電解電容的高溫及低溫特性，其特點(diǎn)是ESR相對(duì)于溫度變化少。ESR的溫度特性穩(wěn)定，意味著噪聲除去能力高。噪聲級(jí)從低溫到高溫變化少，也適合于需要溫度特性的戶外設(shè)備。圖6-3左：ESR溫度特性的比較，圖6-3右：靜電電容溫度特性的比較。

圖6-3：溫度特性比較

如果對(duì)陶瓷電容器施加電壓，則會(huì)顯示靜電電容減少的偏壓特性。從圖6-4可以獲知，施加電壓越高，靜電電容的減少量越大。鉭固體電解電容靜電電容不會(huì)因電壓施加(但在額定電壓以內(nèi))而減少，因此設(shè)計(jì)時(shí)可以無需考慮電壓施加造成的特性變化。

圖6-4：偏壓特性的比較POSCAPvs陶瓷電容器

包括鉭固體電解電容在內(nèi)，在急速推進(jìn)電解電容器的低ESR化。這里作為低ESR的優(yōu)點(diǎn)，電容器的ESR越小，脈動(dòng)除去能力越高。

瞬變響應(yīng)特性：

① 關(guān)于CPU電源的低電壓化和瞬變響應(yīng)特性

日益走向高速化的電腦的CPU所需要的電源，為了在大電流化的同時(shí)降低功耗，眼下正在推進(jìn)低電壓化。通過低電壓化，相對(duì)于負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的電壓變動(dòng)的容許幅度也將變小，如果變動(dòng)大，就會(huì)導(dǎo)致CPU的錯(cuò)誤動(dòng)作。DC/DC轉(zhuǎn)換器在負(fù)荷剛剛變動(dòng)后無法馬上在作出反應(yīng)，在此期間需要通過電容器對(duì)電流進(jìn)行后備，以抑制電壓變動(dòng)。因此通常通過對(duì)導(dǎo)電性固體電解電容器(以下簡(jiǎn)稱為聚合物電容器 ) 等的大容量電容器組合層疊陶瓷電容器 ( 以下簡(jiǎn)稱為 MLCC) 進(jìn)行負(fù)荷電流的后備，以抑制電壓的變動(dòng)。

② 聚合物電容器的以往品與低ESL品的比較

圖6-5左表示以往的聚合物電容器與27個(gè)MLCC組合下的瞬變響應(yīng)特性。負(fù)荷變化時(shí)的電壓變動(dòng)為75mV。下面我們通過使用低ESL的電容器來確認(rèn)對(duì)于瞬變響應(yīng)特性具有哪些優(yōu)點(diǎn)。首先，在圖6-5中列出以往的聚合物電容器上，在剛才所述的條件下將MLCC從27個(gè)減少至10個(gè)時(shí)的電壓變動(dòng)波形。從中可以獲知，MLCC的數(shù)量減少，總體的ESL和ESR增大，靜電電容減少，電壓變動(dòng)增大，為92mV。然后在圖6-5右中列出以往的聚合物電容器與ESR同等 , 將ESL置換為大約削減了50％的低ESL聚合物電容器時(shí)的瞬變響應(yīng)特性。對(duì)圖6-5中和圖6-5右進(jìn)行比較就可獲知，使用了低ESL聚合物電容器的一方，電壓變動(dòng)減小至75mV，與圖6-5左所示的情況同等。這是由于低ESL聚合物電容器的ESL較小，因而可更為高速地覆蓋電流的后備。

圖6-5：左：以往的聚合物電容器 + MLCC(27p)，中：以往的聚合物電容器 + MLCC(10p)，右：低ESL聚合物電容器 + MLCC(10p)

由此可見在使用了低ESL聚合物電容器時(shí)，可以用較少數(shù)量的MLCC來獲得與使用了以往的聚合物電容器時(shí)同等的瞬變響應(yīng)特性。

3.脈動(dòng)除去能力：

如果提高DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，就可降低構(gòu)成電源的繞組和電容器的電感或靜電電容，從而可實(shí)現(xiàn)電源裝置的小型化。通常在使用電容器時(shí)，如果要進(jìn)行小型化，靜電電容就會(huì)減小而ESR（電阻越并越?。┰黾樱瑢?dǎo)致脈動(dòng)除去能力的惡化。鉭固體電解電容的小型品由于其ESL較小，因而可通過提高開關(guān)頻率來改善在ESL上下降的脈動(dòng)電壓。因此，可以在不減弱脈動(dòng)除去能力下從較大的外殼尺寸置換為小型品。

下面我們通過一般的D尺寸 (7.3×4.3×2.8mm) 聚合物電容器與外殼尺寸比其更小的小型聚合物電容器的比較來驗(yàn)證這一事實(shí)。

圖6-6左列出使用了D尺寸的聚合物電容器時(shí)的脈動(dòng)電壓波形。ΔVESL為基于ESL的值的脈動(dòng)電壓部分。然后在圖6-7中列出D尺寸的聚合物電容器與小型聚合物電容器的阻抗和ESR的頻率特性。從中可以獲知，相比D尺寸的聚合物電容器，小型聚合物電容器在1MHz以上的高頻率區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了低阻抗。因此在開關(guān)頻率較高的情況下，如果使用小型聚合物電容器，雖然靜電電容比D尺寸的聚合物電容器減小，ESR增大，但是可像圖6-6右中所示那樣，減低與圖6-6左同等的脈動(dòng)電壓。可見，在較高的開關(guān)頻率下使用小型聚合物電容器時(shí)，可獲得優(yōu)異的脈動(dòng)除去能力。

***圖6-6：左：C=330μF, ESR=15mΩ, ESL=2.5nH，D尺寸的聚合物電容器，右：C=120μF, ESR=26mΩ, ESL=1.3nH，小型聚合物電容器***

圖6-7：D尺寸的聚合物電容器與小型聚合物電容器的阻抗和ESR的頻率特性比較