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鉭電容器的陽極選擇

發(fā)布時間:2009-08-07

中心議題:
  • 鉭電容電極的傳統(tǒng)的做法
  • 鉭電容陽極的選擇
  • 常見多陽極鉭電容類型
解決方案:
  • 采用縱向排列3~5個陽極于一個電容
  • 采用兩個陽極橫向“鏡像”結(jié)構(gòu)

開關(guān)式電源,微處理器和數(shù)字電路應(yīng)用的一個共同趨勢是降低高頻工作時的噪聲。為了做到這一點,元器件必須具備低ESR(電阻率)、高電容和高可靠性。

電容器陽極的總體表面積,特別是其表面積與體積比,是確定其ESR值的關(guān)鍵參數(shù)之一,總表面積越大,ESR值越大。使用多陽極是大幅降低鉭電容器ESR值的其中一種方法,其做法是在一個電容體中使用多個相同的電極材料并排。
                                          

傳統(tǒng)的做法

在高壽命和高可靠性應(yīng)用中,二氧化錳電板極常規(guī)鉭電容器仍然是一個普遍的選擇。二氧化錳技術(shù)能提供極好的場性能和環(huán)境穩(wěn)定性以及在很寬的電壓范圍如2.5~50V內(nèi)提供高電阻率和熱阻率,器件設(shè)計的運行溫度在125℃以上。然而,與聚合物鉭電容器相比,二氧化錳電極系統(tǒng)較高的ESR是一個缺點。

陽極選擇

單一陽極技術(shù)成為標準通用型選擇是由于其出色的性價比。多陽極設(shè)計可提供更低的ESR值,但其缺點是生產(chǎn)成本要高于單陽極解決方案。

使用標準的芯片集成工藝的槽式陽極設(shè)計是低ESR與低成本折中的一種結(jié)果。因此,槽式設(shè)計通常用于價格敏感同時要求低ESR的設(shè)計,而多陽極技術(shù)適合用于既要求低ESR更要求高可靠性的應(yīng)用中,如電信基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和軍事/航空航天等應(yīng)用。

除了上述差異,多陽極的概念有另兩處優(yōu)勢。

(1)多陽極設(shè)計具有更好的散熱性能,這意味著多陽極電容可以承載更高的持續(xù)電流;同理,多陽極電容對抗電流浪涌危害的能力也更強。

(2)相較于單一的陽極,多陽極電容的單位容積效率較低,這導(dǎo)致了一種假設(shè),認為多陽極不能達到與單一陽極一樣的CV(定電壓因素)。事實上,薄的陽極實現(xiàn)起來更容易,并且更易被第二個二氧化錳電極系統(tǒng)穿透,使更高的CV得以利用,因此,多陽極電容器能達到同樣甚至更高的CV水平。

常見多陽極類型

當今市場上常用的鉭多陽極通常采用縱向排列3~5個陽極于一個電容體內(nèi)的方法實現(xiàn),如圖1所示。這實際是從制造的角度來看的,如果從ESR的角度,此解決辦法則不如橫向布局,橫向布局中更薄的平板陽極有望進一步減小ESR。
                                     
                                 圖1多陽極裝置在一個電容器體中使用兩個或兩個以上的陽極

新的多陽極裝置多陽極設(shè)計的費用隨其陽極個數(shù)增長而成倍增長。目前大多數(shù)設(shè)計中使用的三陽極設(shè)計已接近成本與ESR的最佳優(yōu)化比。
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縱向設(shè)計的結(jié)構(gòu)中,一個陽極通過電極銀膠環(huán)氧樹脂連接到第二個,再到另一個電極引線框。同樣的做法被使用于標準的單陽極電容中,因此其制造技術(shù)與舊有的類似,無須為多陽極設(shè)計的新技術(shù)環(huán)節(jié)追加很多額外投資。

另一方面,橫向設(shè)計需要為陽極之間的連接產(chǎn)生新的解決方法,這直接導(dǎo)致了代價高昂的技術(shù)修改。因此,迄今為止這種設(shè)計并沒有被用于單一多陽極電容的批量生產(chǎn)。橫向的設(shè)計更經(jīng)常使用于一些特殊應(yīng)用中,方式是通過焊接或跳汰系統(tǒng),將兩個或兩個以上完整的電容器疊加到陣列或模塊中。

橫向和縱向結(jié)構(gòu)兩者ESR性能之間的差異如圖2所示。這個例子是基于對D類電容器的理論計算,圖2表明,兩陽極橫向結(jié)構(gòu)與三陽極系統(tǒng)的縱向結(jié)構(gòu)的ESR值相似。然而,相對而言橫向結(jié)構(gòu)在ESR上性價比優(yōu)勢更顯著。

                                          
                                     圖2橫向和縱向結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)相似,成本成為決定因素

相比橫向結(jié)構(gòu),縱向設(shè)計在縮減高度上受限制更大,目前的電容器高度一般在3.5~4.5mm。今天,這一因素更顯重要,甚至在有如電信基礎(chǔ)設(shè)施、軍事等應(yīng)用中,電子產(chǎn)品的小型化也正成為一個考驗,這在過去是不曾有的。

利用兩個陽極橫向“鏡像”結(jié)構(gòu),研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型的多陽極結(jié)構(gòu)。鏡像結(jié)構(gòu)使用改良的引線框形狀,引線框定位于兩陽極中間。這種結(jié)構(gòu)解決了電極橫向排列的連接問題,并使工藝改裝費用下降到了可接受的水平。

兩陽極鏡像設(shè)計的ESR性能稍遜色于三陽極縱向結(jié)構(gòu)的效果,但它制造起來更便宜。鏡像設(shè)計的主要好處在于,它使多陽極電容器的高度減小,最低下降到3.1mm。

利用鏡像設(shè)計的其他優(yōu)點是,其對稱的布局有助于減少自感(ESL)。對稱的結(jié)構(gòu)對電感回路作了部分補償,有利于將ESL降低至采用經(jīng)典引線框設(shè)計的方案之下。

一個D類單陽極設(shè)計的ESL值為2.4nH,典型值為2.1nH左右。鏡像設(shè)計的ESL值約1nH為常規(guī)設(shè)計的一半。這會將鏡像多陽極的共振頻率升至更高值,如圖3所示。
                                            
                                                                                  圖3鏡像設(shè)計的性能

(a)顯示出其電容隨頻率下降值低于單陽極解決方案,并且其(b)ESR值也是如此

鏡像結(jié)構(gòu)如果使用更薄的陽極,電容將隨頻率下降至更低。鏡像設(shè)計的共振頻率改變,其原因是目前一般的DC/DC轉(zhuǎn)換器其開關(guān)頻率的工作范圍(250~500kH)會因降低ESL而顯著升高。

鏡像設(shè)計的另一個好處是改善了其散熱性能如圖4所示,紋波電流在陽極產(chǎn)生的熱量通過PCB板上的引線和鉭絲得以發(fā)散冷卻。
                                                   
                                                          圖4鏡像設(shè)計(a)相比單陽極器件功耗改善

因此,盡管單陽極D類電容可連續(xù)散熱只有150mW,但類似尺寸的鏡像結(jié)構(gòu)電容可以處理255mW。鏡像橫向型多陽極電容器目前可達到的電容值為220~1000μF,電壓為2.5~10V,ESR值為25~35mΩ。未來的發(fā)展將進一步擴展電壓范圍至35和50V,這將使電容器在設(shè)計高度日趨重要的電信新應(yīng)用中非常具吸引力。單個35~50V電容在3.1mm的最大高度內(nèi)擁有10~22μF的電容量,65~140mΩ的ESR值,這是其他任何技術(shù)都難以企及的。

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