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在設計 USB 電源以及電子系統和子系統（包括 IC、特定應用 IC (ASIC)、中央處理器 (CPU) 和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)）的功率輸送解決方案時(shí)，設計人員會(huì )不斷尋找方法來(lái)提高效率，同時(shí)確保以緊湊的外形尺寸在寬溫度范圍內提供穩定、無(wú)噪聲的功率。他們需要提高效率、穩定性和可靠性，降低成本，并縮小解決方案的外形尺寸。同時(shí)，還必須滿(mǎn)足應用中不斷增多的功率性能要求，包括平滑處理電源電路的輸入和輸出電流、支持峰值功率需求以及抑制電壓波動(dòng)。 為了應對這些挑戰，設計人員需要具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和高頻低阻抗的電容器，以支持紋波吸收并確保平滑的快速瞬態(tài)響應。此外，運營(yíng)可靠性和供應鏈可靠性也很重要。 縱觀(guān)這些問(wèn)題和選項，聚合物鋁電解電容器是一個(gè)很好的解決方案，具有較高電氣性能和穩定性，噪聲低、可靠性佳、外形尺寸緊湊，并且由于不使用沖突材料，供應鏈風(fēng)險低。它們具備低 ESR（通常以毫歐 (mΩ) 為單位測量）和高頻（高達 500 千赫茲 (kHz)）低阻抗，并且提供出色的噪聲抑制、紋波吸收和電源線(xiàn)去耦性能。此外，在高工作頻率和溫度下也具有電容穩定性。 本文概述了聚合物鋁電解電容器的工作原理和制造方法。文中將這些電容器的性能與替代性電容器技術(shù)進(jìn)行比較，接著(zhù)探討聚合物鋁電解電容器的具體應用。最后則回顧了 Murata 的代表性器件，以及設計人員使用這些電容器時(shí)需要注意的應用問(wèn)題。 聚合物鋁電容器是如何制造的？ 聚合物鋁電容器包括蝕刻的鋁箔陽(yáng)極、鋁氧化膜電介質(zhì)以及導電聚合物陰極（圖 1）。根據具體器件的不同，電容范圍為 6.8 至 470 微法 (μF)，電壓范圍為 2 至 25 伏直流電 (Vdc)。 
圖 1：聚合物鋁電解電容器模型展示了蝕刻鋁箔陽(yáng)極（左）、鋁氧化膜電介質(zhì)（中）和導電聚合物陰極（右）之間的關(guān)系。（圖片來(lái)源：Murata） 在 Murata 的 ECAS 系列器件中，蝕刻的鋁箔直接貼在正電極上，而導電聚合物則用碳糊覆蓋，并使用導電銀漿連接到負電極上（圖 2）。整個(gè)結構以模壓環(huán)氧樹(shù)脂包覆，以提供機械強度和保護環(huán)境。由此形成扁平的無(wú)鹵素表面貼裝封裝，濕氣敏感性等級 (MSL) 為 3 級。鋁箔和氧化膜的多層（層壓）結構使得 Murata 的 ECAS 系列有別于典型的鋁電解電容器，如使用聚合物或電解質(zhì)作為陰極的罐式纏繞結構。
圖 2：ECAS 系列聚合物鋁電容器器件結構展示了導電聚合物（粉紅色）、蝕刻鋁箔（白色）、鋁 (Al) 氧化膜（藍色）、連接導電聚合物和負極的碳糊（棕色）和銀漿（深灰色），以及環(huán)氧樹(shù)脂外殼。（圖片來(lái)源：Murata） 層壓結構和材料選擇組合使 ECAS 電容器具有電解電容器的最低 ESR。ECAS 系列聚合物鋁電容器的電容可與聚合物鉭 (Ta) 電容器、鉭二氧化錳 (MnO2) 電容器和多層陶瓷電容器 (MLCC) 媲美，其 ESR 則與 MLCC 相當，低于聚合物或 MnO2 鉭電容器（圖 3）。
圖 3：與 MLCC 相比，聚合物鋁電容器（ECAS 系列）具有更高的電容值和相當的 ESR，另外其 ESR 也較低，并且電容與鉭和罐式鋁電容器相當。（圖片來(lái)源：Murata） 對于成本敏感的應用，鋁電解電容器和鉭 (MnO2) 電容器可以提供相對便宜的解決方案。傳統的鋁或鉭電解電容器使用電解質(zhì)或二氧化錳 (MnO2) 作為陰極。ECAS 電容器使用導電聚合物陰極，因而 ESR 更低、熱特性更穩定、安全性提高、使用壽命更長(cháng)（圖 4）。MLCC 雖然相對便宜，但卻存在其他電容器技術(shù)所沒(méi)有的直流偏置特性。
圖 4：聚合物鋁電容器提供的基本特性組合包括低 ESR、直流偏置特性、溫度特性、使用壽命和可靠性。（圖片來(lái)源：Murata） 直流偏置特性是指 MLCC 在外加 DC 電壓下的電容變化。隨著(zhù)施加的 DC 電壓增加，MLCC 的有效電容會(huì )減少。當 DC 偏置增加到幾伏時(shí)，MLCC 的標稱(chēng)電容值會(huì )損失 40% 至 80%，因此不適合許多電源管理應用。 聚合物鋁電解電容器的性能特點(diǎn)使其非常適用于電源管理應用，包括 CPU、ASIC、FPGA 和其他大型 IC 的電源，并支持 USB 電源系統的峰值功率需求（圖 5）。
圖 5：例 1（上）：目標應用使用的電源管理電路中的聚合物鋁電容器，用于消除紋波以及平滑并穩定電壓源。例 2（下）：聚合物鋁電容器可以支持 USB 電源系統的峰值功率需求。（圖片來(lái)源：Murata） 聚合物鋁電容器具有低 ESR、低阻抗和穩定的電容，非常適用于平滑和消除紋波等應用，特別是在電流負載波動(dòng)較大的電源線(xiàn)上。在這些應用中，聚合物鋁電容器可以與 MLCC 組合使用。 聚合物鋁電容器提供電源管理功能，而 MLCC 則過(guò)濾 IC 電源引腳的高頻噪聲。聚合物鋁電容器還支持 USB 電源系統的峰值功率需求，同時(shí)保持較小的印刷電路板基底面。 聚合物鋁電容器 根據額定值，ECAS 聚合物鋁電容器有四種 EIA 7343 公制外殼尺寸：D3：（7.3 mm x 4.3 mm x 1.4 mm 高）；D4（7.3 mm x 4.3 mm x 1.9 mm 高）；D6（7.3 mm x 4.3 mm x 2.8 mm 高）；以及 D9（7.3 mm x 4.3 mm x 4.2 mm 高）。目前提供 DigiReel、切帶和卷帶等形式（圖 6）。其他規格包括： 電容范圍：6.8 μF 至 470 μF 電容公差：±20% 和 +10%/-35% 額定電壓：2 Vdc 至 16 Vdc ESR：6 mΩ 至 70 mΩ 工作溫度：-40°C 至 +105°C
圖 6：ECAS 聚合物鋁電容器有 DigiReel、切帶和卷帶等形式，外殼尺寸有 D3、D4、D6 和 D9。（圖片來(lái)源：Murata） Murata 最近擴展了 ECAS 系列，包括 330 μF (±20%) 6.3 V 器件，如 ECASD60J337M009KA0，其 ESR 為 9 mΩ，外殼尺寸為 D4。電容值高有助于改善紋波平滑，所需的電容器數量更少，從而縮小整個(gè)解決方案的尺寸。 例如，當用于過(guò)濾切換頻率 300 kHz 的 DC-DC 轉換器的輸出時(shí)，ECASD40D337M006KA0 330 μF (±20%)、ESR 為 6 mΩ 的 2 V 聚合物鋁電容器將產(chǎn)生 13 mVp-p 紋波電壓，相比之下，ESR 為 15 mΩ 的鋁聚合物電容器產(chǎn)生的紋波電壓為 36 mVp-p，或者 ESR 為 900 mΩ 的鋁電解電容器產(chǎn)生的紋波電壓為 950 mVp-p。 ECAS 電容器的其他示例包括 ECASD40D157M009K00，額定值為 150 μF (±20%) 和 2 Vdc，ESR 為 9 mΩ，采用 D4 外殼，以及 ECASD41C686M040KH0，額定值為 68 μF (±20%) 和 16 Vdc，ESR 為 40 mΩ，也采用 D4 外殼。ECAS 聚合物鋁電容器的特性包括： 高電容與低 ESR 相結合 在施加 DC 電壓/溫度/高頻率的情況下具有穩定的電容值 出色的紋波吸收、平滑和瞬態(tài)響應 無(wú)需電壓降額 消除陶瓷電容器產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲（壓電效應） 產(chǎn)品上注明極性條（正） 表面貼裝結構 符合 RoHS 規范 無(wú)鹵素 MSL 3 封裝 設計考慮因素 ECAS 聚合物鋁電解電容器針對電源管理應用進(jìn)行了優(yōu)化；不建議將其用于時(shí)間常數電路、耦合電路或對漏電流敏感的電路。ECAS 電容器并非針對串聯(lián)進(jìn)行設計。其他設計考慮因素包括： 極性：聚合物鋁電解電容器是有極性的，必須以正確的極性連接。即使瞬時(shí)施加反向電壓也會(huì )損壞氧化膜，損害電容器的性能。 工作電壓：當這些電容器用于 AC 或紋波電流電路時(shí)，峰-峰電壓 (Vp-p) 或偏移-峰電壓 (Vo-p)（包括 DC 偏置），必須保持在額定電壓范圍內。在可能出現瞬態(tài)電壓的開(kāi)關(guān)電路中，額定電壓必須足夠高，以包括瞬態(tài)峰值。 涌流：如果預計涌流超過(guò) 20 安培 (A)，則需要額外的涌流限制，將峰值浪涌保持在 20 A。 紋波電流：ECAS 系列的每個(gè)型號都有禁止超過(guò)的額定紋波電流。過(guò)大的紋波電流會(huì )產(chǎn)生熱量，可能損壞電容器。 工作溫度： 在確定電容器的溫度額定值時(shí)，設計人員需要考慮到應用的工作溫度，包括設備內的溫度分布和任何季節性溫度因素。 電容器的表面溫度必須保持在工作溫度范圍內，包括由特定應用因素（如紋波電流）引起的任何電容器自熱。 總結 對于功率輸送系統的設計人員來(lái)說(shuō)，要實(shí)現能效、性能、成本、穩定性、可靠性和外形尺寸的最佳平衡極其困難，特別是在為大型 IC（如 MCU、ASIC 和 FPGA）供電時(shí)，以及在支持 USB 應用的峰值功率需求時(shí)。電源信號鏈的主要部件之一是電容器，這些器件有許多特征有助于滿(mǎn)足設計人員的要求 — 如果使用正確技術(shù)的話(huà)。 如上所示，聚合物鋁電容器幫助設計人員找到了恰當的平衡。它們的結構確保在頻率高達 500 kHz 時(shí)的低阻抗、低 ESR、良好的紋波平滑，以及良好的噪聲抑制和電源線(xiàn)去耦。此外，它們不受 DC 偏置的限制，而且可以自愈，提高了運行的可靠性。由于不使用沖突材料，供應鏈也更可靠�？傊�，聚合物鋁電容器為設計人員提供了更高性能的選擇，以應對各種電源管理系統的要求。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
