铝电解电容器将大量能量储存在紧凑的封装中，价格低廉

作者：Ron Demcko，高级研究员，KYOCERA AVX

越来越多的应用开始利用铝电解电容器的优势，从太阳能转换器到用于高度复杂的处理核心的微型电源。铝电解也越来越多地用于满足复杂的功率树应用中的小型化需求，如由多个电压供电的FPGA。

虽然铝电解法确实也有缺点，但其中一些更为人熟知的缺点已经不复存在，通过选择新的部件来克服该技术的一些传统缺点，可以减少或消除其他已知缺点。

技术性能和选项

电解质以其阳极材料命名，其中包括铝、钽、钽聚合物和氧化铌。由于铝电解槽与钽电解槽相比具有相对较低的介电常数（约9比30），因此可以合理地假设它们具有所有电解槽中最差的电容密度。然而，铝电解槽具有高度蚀刻的铝电极，其显著增加了电容器的表面积，并大于抵消了其低介电常数。

一些较新的铝电解也利用了近年来SMT最显著的进步之一：垂直芯片封装。这些器件的结构很简单，由安装在背板上的径向电解罐组成，成为SMT器件，如图1中的横截面所示。从本质上讲，两个深蚀刻的铝箔电极被一张纸隔开，缠绕在一个圆筒上，圆筒用胶带粘住，放在一个套筒中，然后插入一个底部有橡胶密封的金属罐中。

图1：铝电解电容器的结构（右）和横截面（左）。

微型卷绕湿SMT铝电解电容器的简单结构往往限制了长期可靠性、高频效率和温度稳定性。但组件制造商已经注意到了这些缺点，并在近年来开发了几种旨在提高其可靠性和性能的材料系统，包括湿式、聚合物和混合铝电解电容器技术。

图2：现代微型SMT铝电解电容器可用于湿式、聚合物和混合电解材料系统

铝电解质电容器 

传统的湿式铝电解电容器使用液体电解质与卷绕的铝电极箔进行电接触。电解液被密封在一个铝罐中，里面有一个橡胶垫圈，该垫圈被紧密填充，然后压接到位。

除了这些小型绕线铝电解电容器的简单结构所施加的标准限制之外，该材料系统还有两个主要限制。液体电解质的化学成分是电容器性能的主要因素，因为它与温度、压力、电应力、时间、低温电容和ESR稳定性有关，并且供应商之间可能有所不同。随着时间的推移，液体电解质有可能泄漏或蒸发，这可能导致电容器失效。

然而，用户可以采用几种终端用户降额规则来提高电容器的可靠性。例如，将温度降低10°C大约会使部件寿命翻倍，降低施加电压与额定电压之比也会显著提高可靠性。

因此，总体而言，湿铝电解槽以最低的成本提供了最广泛的价值范围和合理的可靠性。

导电聚合物电解质电容

用导电聚合物电解质替换湿电解质消除了密封壳和引线之间液体电解质泄漏的可能性以及长期老化（蒸发）问题。导电聚合物电解槽的ESR降低了近两倍，RMS电流能力提高了两到三倍，温度稳定性提高了约三倍，并且与具有相似外壳尺寸、值和额定电压的湿电解槽相比，它们更可靠。此外，如果考虑到温度降额效应，每种技术的20°C降额表明，湿铝电容器的预期寿命增加了4倍，而导电聚合物铝电容器增加了大约10倍。

这种材料技术的局限性包括直流泄漏增加、价格较高以及对高冲击和振动环境的敏感性。这些电容器的直流泄漏从湿铝电解槽的约0.01CV或3µA增加到约0.2CV或300至500µA。但在设计过程的早期，这是一个可控的增长，特别是考虑到导电聚合物材料系统的可靠性比湿电解槽高一倍以上，同时降低ESR和增加RMS电流。

混合电解质电容

开发了混合电解槽，可减少导电聚合物电解槽的直流泄漏效应，降低湿电解槽的ESR，从而提高两种材料的可靠性和性能特性。混合电解在高湿度环境中也表现出色。因此，它们也具有比湿的和导电的聚合物材料系统更高的价格。尽管它们确实存在一些CV限制，但通过额外的材料研究和工艺努力，这些挑战正在被积极克服。

分层与缠绕导电聚合物电解质电容

需要注意的是，导电聚合物铝电解电容器可以以分层或缠绕方式制造。分层器件具有铝阳极和阴极堆叠，每个电极之间有导电聚合物层，通常在封装在树脂化合物中的芯片SMT封装中完成，并配备J引线。

与缠绕铝聚合物相比，层状铝聚合物倾向于提供降低的电感，以延长频率响应，这在许多应用中是有益的，包括功率转换和噪声过滤。与缠绕的铝聚合物相比，它们还具有显著降低的高度分布，这导致更好的冲击和振动性能，并使其更易于在高度受限的设计中实施。

层状铝聚合物电容器的常见缺点包括成本增加、ESR/RMS电流性能未优化以及值范围减小。

缠绕铝聚合物比层状铝聚合物更具成本竞争力，并且具有更大的电容范围。

无论制造方法和设计如何，导电聚合物电解电容器的稳定性提高和ESR特性降低在包括电源输出滤波器和控制回路在内的应用中都是非常有益的。

稳定性与外壳电感的比较

微型、SMT湿、导电聚合物和混合铝电解电容器技术的另一个重要比较点是跨温度ESR。在120Hz下测量的这三种电解质的ESR稳定性，并在温度上绘制，如图3所示。

正如预期的，与湿电解和混合电解相比，导电聚合物铝电解的稳定性是突出的。这一点很重要，因为ESR在温度下的稳定性对电源控制回路的设计难度有着巨大的影响。例如，电流控制模式中的电源控制回路通常由输出电容器的ESR设置，这意味着电容器ESR的大变化将对电源的瞬态响应产生负面影响。类似地，如果输入滤波器的输出阻抗在电源的工作温度上表现出不稳定的ESR，则ESR不稳定将影响源阻抗，并可能导致电源振荡。

图3：湿、导电聚合物和混合铝电解槽的ESR稳定性与温度的比较

总结

由于其诱人的成本和高能量密度存储能力，微型SMT铝电解电容器在电子设计方面正经历稳步增长。最近引入的导电聚合物和混合电解材料系统允许设计者利用这些优势，同时减轻甚至消除铝电解技术的先前限制。

与传统的湿铝电解槽相比，导电聚合物和混合铝电解槽具有更低的ESR、更高的RMS电流容量、更好的参数稳定性、更好的耐久性和更长的寿命。导电聚合物和混合电解方案还可以提供更小的外壳尺寸，具有更高的纹波电流和浪涌电流能力，并超过标准湿铝电解方案的温度额定值，同时保持有吸引力的电荷存储和成本特性。

垂直SMT铝电容器产品在封装尺寸、电容、电压、ESR值和封装尺寸方面也在扩大。这些电容器系列在小封装中提供高CV性能，并符合无铅和RoHS要求。无论材料系统如何，垂直SMT铝电解槽都提供了广泛的解决方案，非常适合于满足日益增长的大容量电容器在坚固的供电轨、创新的能量收集应用中以及替代传统非电子工艺的新模块中的需求。

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