鋁聚合物電解電容器

　　鋁電解電容器種類很多,，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?？梢圆捎肁C/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,?！　?/p>

　　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以內(nèi)。

　　與其它種類電容器并聯(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,。