【導讀】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) 和現場可編程門陣列 (FPGA)）的功率輸送解決方案時，設計人員會不斷尋找方法來提高效率，同時確保以緊湊的外形尺寸在寬溫度范圍內提供穩定、無噪聲的功率。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，還必須滿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。
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) 和現場可編程門陣列 (FPGA)）的功率輸送解決方案時，設計人員會不斷尋找方法來提高效率，同時確保以緊湊的外形尺寸在寬溫度范圍內提供穩定、無噪聲的功率。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，還必須滿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。
為了應對這些挑戰，設計人員需要具有低等效串聯電阻 (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響應。此外，運營可靠性和供應鏈可靠性也很重要。
縱觀這些問題和選項，聚合物鋁電解電容器是一個很好的解決方案，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進行比較，接著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需要注意的應用問題。
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極、鋁氧化膜電介質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極（左）、鋁氧化膜電介質（中）和導電聚合物陰極（右）之間的關系。（圖片來源：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）。整個結構以模壓環氧樹脂包覆，以提供機械強度和保護環境。由此形成扁平的無鹵素表面貼裝封裝，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），以及環氧樹脂外殼。（圖片來源：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（圖 4）。MLCC 雖然相對便宜，但卻存在其他電容器技術所沒有的直流偏置特性。
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。隨著施加的 DC 電壓增加，MLCC 的有效電容會減少。當 DC 偏置增加到幾伏時，MLCC 的標稱電容值會損失 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較大的電源線上。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，從而縮小整個解決方案的尺寸。
例如，當用于過濾切換頻率 300 kHz 的 DC-DC 轉換器的輸出時，ECASD40D337M006KA0 330 μF (±20%)、ESR 為 6 mΩ 的 2 V 聚合物鋁電容器將產生 13 mVp-p 紋波電壓，相比之下，ESR 為 15 mΩ 的鋁聚合物電容器產生的紋波電壓為 36 mVp-p，或者 ESR 為 900 mΩ 的鋁電解電容器產生的紋波電壓為 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、平滑和瞬態響應
. 無需電壓降額
. 消除陶瓷電容器產生的聲學噪聲（壓電效應）
. 產品上注明極性條（正）
. 表面貼裝結構
. 符合 RoHS 規范
. 無鹵素
. 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行了優化；不建議將其用于時間常數電路、耦合電路或對漏電流敏感的電路。ECAS 電容器并非針對串聯進行設計。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。即使瞬時施加反向電壓也會損壞氧化膜，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，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。在可能出現瞬態電壓的開關電路中，額定電壓必須足夠高，以包括瞬態峰值。
. 涌流：如果預計涌流超過 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 系列的每個型號都有禁止超過的額定紋波電流。過大的紋波電流會產生熱量，可能損壞電容器。
. 工作溫度：
在確定電容器的溫度額定值時，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說，要實現能效、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，以及在支持 USB 應用的峰值功率需求時。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足設計人員的要求 — 如果使用正確技術的話。
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。總之，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。
（作者：Jeff Shepard，來源： 得捷電子DigiKey）
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