什么是聚合物电容器?设计哪些电子设备需要村田聚合物铝电解电容器?

什么是聚合物电容器?设计哪些电子设备需要村田聚合物铝电解电容器?

常见主要电容器种类

如果您查看电脑等电子设备的主机板的话,最常看见的是上图中的6种类型的电容器。钽电解电容器(二氧化锰型、高分子型),铝电解电容器(罐状/电解液、罐状/高分子、贴片型),MLCC等。聚合物电容器是指阴极使用了导电聚合物的电解电容器,具有低ESR、稳定的温度特性、安全和长寿命等特性。

本文介绍电容器的种类及村田ECAS系列聚合物铝电解电容器,通过数据对各种电容器的特性进行比较。

什么是聚合物电容器?

聚合物电容器是一种电解电容器,其阴极使用聚合物(也称为高分子)。

钽电解电容器和铝电解电容器均属于聚合物电容器,阴极使用了导电聚合物。但铝电解电容器阳极使用了“铝箔”,阴极使用了导电聚合物。导电聚合物型的钽电解电容器的阳极使用了“钽金属”。下图所示为导电聚合物铝电解电容器的模式图。

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导电性聚合物铝电解电容器的模式图

传统类型的电解电容器阴极使用了液体电解质(电解液)及二氧化锰。如果替代此类在阴极使用“导电聚合物”,则可实现:

低ESR
稳定的温度特性
提高安全性
长寿命化

原则上,电解电容器根据阳极使用的阀金属种类决定电介质类型,并由此决定介电常数、DC偏压特性及啸叫特性。如此,阳极、阴极和电介质通过组合多种材料获得多种特性。由于不同材料有其擅长和不擅长的领域,因此电子设备设计者在设计电路时需要分别使用不同的材料。

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多种电解质材料的电导率代表性实例

什么是铝电解电容器?

铝电解电容器是使用氧化铝膜作为介质的极性电容器。也会被根据电解质是液体还是固体而分类。

铝电解电容器的结构分阳极部、阴极部、和介质。铝电解电容器阳极采用99.9%或更高纯度的导体(铝),阴极是让液体或固体的电解质与介质紧贴后的物质,两种都是铝箔。介质是表面带氧化膜的物质(铝:Al₂O₃)。

电容器的电容随着“电极面积的增加”、“介质的相对介电常数的增加”、“电极间距离的减小”而增加。

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铝是一种具有整流作用的特别金属,被称为阀金属。其他具有阀金属性能的金属有钽和铌。通过阳极氧化在铝表面形成的介质氧化膜(Al₂O₃)的相对介电常数约为7~10,并不比其他电容器中使用的介质高,但它通过电解蚀刻铝表面使表面积扩大了约350倍,形成多孔结构,从而实现了大容量电容器。此外,电容器的耐电压(额定电压)取决于介质的厚度。另一方面,介质越厚,则静电容量越小。铝的特点是每1V的介质厚度很薄,约为1.3nm。因此,适合设计耐高电压且容量大的电容器。

各种电容器的电介质的特征

什么是聚合物电容器?设计哪些电子设备需要村田聚合物铝电解电容器?

铝电解电容器还被根据电解质是“液体”还是“固体”来分类。电解液为“液体”的铝电解电容器只有能将液体电解液(电解液)气密密封起来的罐型,具有容量大、耐压高的特点。

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液体电解质铝电解电容器

另一方面,采用“固体”电解质的铝电解电容器因为是固体(导电聚合物)而不需要气密密封,所以不仅有罐型,而且有树脂成型表面贴装型,具有容量大、产品高度低的特点。此外,由于是固体电解质,所以不存在挥发的风险,因此具有比液体电解质寿命更长的特点。

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固体电解质铝电解电容器

村田的导电聚合物铝电解电容器

村田制作所的导电聚合物铝电解电容器(ECAS系列)具有“低ESR”、“低阻抗”和“大容量”的特点。

首先,关于“低ESR”,除了在阴极使用高导电率的导电聚合物外,还层叠铝元件,从而实现了电解电容器中很低的ESR。

其次,关于“低阻抗”,由于对负载侧的波动具有良好的稳定性,因此可以阻止输出电压的下降。

最后,关于“大容量”,由于可以增大静电容量,且无静电容量的DC偏压特性,因此施加直流电压时的实际使用上的静电容量稳定。

基于此,“低ESR”、“低阻抗”和“大容量(容量稳定)”是ECAS系列的最大特点。

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ECAS系列的等效电路

村田ECAS系列的主要应用

电容器在电路中的作用之一是稳定和平滑电源线的电压。随着电子设备的高功能化,就要求严格控制CPU等电源线的电压,有时则需要大静电容量来稳定电源线。

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CPU和FPGA的电源线的简单电路图

这种情况虽然可采用“安装多个MLCC”的方法来解决,但由于村田制作所已将ECAS系列添加到了MLCC的产品群中,因此可以提供“组合MLCC与ECAS系列,减少部件数量和成本”的解决方案。

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