中心論題：
- 聚合物片式疊層鋁電解電容器的特點。
- PA-Cap的應(yīng)用。
- 吸收噪聲性能測試電路介紹。
- 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商標。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
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：
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，容量與標稱容量允許偏差為±20%（M級），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. 長壽命、高可靠性，+105℃下壽命為1000h，相當于在+55℃下可工作36年。
7. 無須降壓使用;采用無鉛封裝，符合RoHS標準,綠色環(huán)保.
8. 出現(xiàn)失效時不會爆炸、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方面的應(yīng)用，并與其他電解電容器進行對比。
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。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，進行了如圖3所示的測試，其中的參數(shù)示于表1中。
圖3. 開關(guān)電源濾波測試電路
表1. 開關(guān)電源測試電路參數(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，測試其濾波效果。輸出波形如圖4和圖5所示：
圖4. 300KHz時PA-Cap 濾波效果
圖5. 300KHz時SP-Cap濾波效果
如上面的濾波效果顯示，當開關(guān)電源頻率在300KHz左右時，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。
吸收噪聲性能的測試電路示意圖如圖6所示，不同溫度下測試2V/220μF結(jié)果如圖7、8所示：
圖6. 噪聲吸收測試電路示意圖
圖7. 室溫下均方根隨頻率變化
圖8. 55度時均方根隨頻率變化
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，負載為50Ω時，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優(yōu)秀的。
c 高速保護
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的負載電流呈增加的趨勢。MPU從休眠狀態(tài)向高速突變時，MPU的負載變化劇烈，負載電流急劇變化，引起了電源線路的電壓變動導(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)計時，考慮在陶瓷電容附近提供一個電荷備用庫。這個電荷備用庫是通過低ESR、低ESL、大容量的電解電容來實現(xiàn)。過去一般應(yīng)用鉭電容作為電荷備用庫，顧慮到現(xiàn)火災(zāi)隱患，現(xiàn)避免使用選用該類元件。
圖9為高速保護測試電路，CT為測試電容——16 V/220μF普通鉭電容、4V/82μF PA-Cap。
圖9. 高速保護測試電路
圖10. 16 V/220μF普通鉭電容的測試波形
圖11 . 4V/82μF PA-Cap的測試波形
當MPU的負載電流急劇增大時，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備用電荷庫的優(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)指標達到或接近國際先進水平，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，寬溫長壽命高可靠性。廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、平板顯示器、移動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
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[2] PA-Cap○R聚合物固體片式鋁電解電容器2007年企業(yè)標準
[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
作者簡介：
張易寧，男，博士，福建國光新型電子元件與材料研究院院長,福建國光電子科技股份有限公司副總經(jīng)理,研究方向為新型材料與元器件。
陳由雄，男，分析應(yīng)用工程師，研究方向為電子元件器。
