- 鋁聚合物電解電容器電氣性能
- 鋁聚合物電解電容器的應(yīng)用舉例
- ESR和額定紋波電流
- 上電沖擊電流的抑制
- 輸出整流濾波時的短路電流限制
鋁聚合物電解電容器
鋁電解電容器種類很多，有的可以將ESR明顯減小，但是還是沒有質(zhì)的變化。ESR主要是由電解電容器的陰極電阻造成的，提高電解電容器的陰極材料電導(dǎo)率可以改善電解電容器的性能，而鋁聚合物電解電容器的有機(jī)聚合物陰極可以使電導(dǎo)率達(dá)到300ms/cm，甚至3000ms/cm，這種陰極材料可以使電解電容器的ESR非常低。
鋁聚合物電解電容器的結(jié)構(gòu)與普通鋁電解電容器相同，所不同的是引線式鋁聚合物電解電容器的陰極材料用有機(jī)半導(dǎo)體浸膏替代電解液。固態(tài)鋁聚合物貼片電容是結(jié)合了鋁電解電容和鉭電容的一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)。同傳統(tǒng)的鋁電解電容一樣，固態(tài)鋁聚合物貼片電容的陽極鋁電極板、氧化鋁層通過陽極氧化過程制作在上面。固態(tài)鋁聚合物貼片電容中，高導(dǎo)電率的聚合物電極薄膜沉積在氧化鋁上，作為陰極，炭和銀為陰極的引出電極，這一點(diǎn)與固態(tài)鉭電解電容器相似。
鋁聚合物電解電容器電氣性能
ESR和額定紋波電流
鋁聚合物電解電容器最大的特點(diǎn)是ESR很小，固態(tài)鋁聚合物貼片電容的ESR低于固態(tài)鉭，甚至低于鉭-聚合物組合電容，原因就是采用了固態(tài)導(dǎo)體聚合物，這就意味著承受紋波電流能力強(qiáng)。電解電容的ESR主要取決于電極的電阻，固態(tài)鋁聚合物電容的電極阻值比其它電極的阻值小得多，幾乎為0。
阻抗頻率特性
在低頻段(低于10kHz)和高頻段(高于20MHz)，鋁聚合物電解電容器與低ESR鋁電解電容器、鉭電解電容器的性能相差不多。而在對開關(guān)電源輸出整流濾波和數(shù)字電路的電源旁路最有效的中頻段，卻有著明顯的差別，特別是在1MHz左右，相差非常明顯。鋁聚合物電解電容器的阻抗最低，鉭電解電容器次之，ESR鋁電解電容器相對阻抗最高相差接近一個半數(shù)量級。表明鋁聚合物電解電容器在上述應(yīng)用中更加有效。
ESR與電容量的溫度特性
鋁聚合物電解電容器及用途相近的其它電容器的ESR溫度特性如圖1(a)所示。鋁聚合物電解電容器的ESR特性從-55℃到+105℃幾乎沒有變化，變化由大到小依次為鋁電解電容器、X5U陶瓷電容器、鉭電解電容器、X5P陶瓷電容器、鋁聚合物電解電容器，其中鋁電解電容器變化達(dá)數(shù)十倍。鋁聚合物電解電容器及用途相近的其它電容器的電容溫度特性如圖1(b)所示。鋁聚合物電解電容器的電容量在全溫度范圍內(nèi)變化不到15%，略高于鉭電解電容器，低于其它電容器。
圖1電容器的溫度特性
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電壓對電容量的影響
鋁聚合物電解電容器的電容量與施加電壓基本無關(guān)，而陶瓷電容器的電容量則隨外加電壓的增加而明顯下降(大約下降20%)。
鋁聚合物電解電容器的應(yīng)用
上電沖擊電流的抑制
由于鋁聚合物電解電容器的ESR極小，上電過程中電容器上沒有初始電壓，因此，將產(chǎn)生幅值很高的上電沖擊電流。一般情況下，應(yīng)將沖擊電流幅值限制在10A以下或低于允許紋波電流的10倍以下。通常的DC/DC變換器的輸入僅用一個低ESR電容器濾波，這時，如選用鋁聚合物電解電容器作為輸入濾波電容器(假設(shè)ESR和電源內(nèi)阻分別為90mW和50mW，輸入電壓為24V)，其上電電流峰值可能達(dá)到：
遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁聚合物電解電容器的紋波電流承受能力。必須考慮上電過程的沖擊電流限制。可以采用AC/DC變換器上電電流限制方法，如串聯(lián)限流電阻，見圖2(a)，則：
這種電路的最大特點(diǎn)是電路極其簡單，所付出的代價則是降低了變換器的效率，在輸入電壓較低的DC/DC變換器應(yīng)用中不宜采用。要解決這個問題，可以采用AC/DC變換器的方案，通過繼電器的觸點(diǎn)，上電后經(jīng)過一個延遲時間將限流電阻短路，如圖2(b)所示。這種電路的問題是繼電器的體積與DC/DC變換器體積矛盾，以及控制繼電器所需的功率將影響變換器的效率。還可以在電源與DC/DC變換器的輸入端串接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，如圖2(c)所示，這個方案看起來似乎特別合理，但是對于低電壓輸入的DC/DC變換器，其熱態(tài)的電阻會影響變換器的效率，這種電路的缺點(diǎn)是在高溫環(huán)境下熱敏電阻將不能有效地起到限流作用。還可以采用熱插拔電路，如圖2(d)所示，能很好地解決這個問題。當(dāng)然也可以在變換器輸入部分串接一個帶有磁芯的電感，允許的峰值電流為：
得到其電感量的關(guān)系為：
當(dāng)輸入電壓為24V，輸入濾波電容器為22mF，限制電流在10A以下時的電感量為：
為防止限流電感釋放儲能時產(chǎn)生浪涌過壓，可以在限流電感上反并聯(lián)二極管。
圖2限制上電電流的措施
用于輸出整流濾波時的短路電流限制
由于鋁聚合物電解電容器的ESR極小，用于輸出整流濾波時，由于負(fù)載短路或其它原因，會出現(xiàn)瞬間的高幅值放電電流。因此，具有鋁聚合物電解電容器的AC/DC變換器或DC/DC模塊，可以采用類似熱插拔的電路抑制輸出短路電流。需要注意的是，這時的短路保護(hù)不再是關(guān)閉開關(guān)管，而是切斷變換器的輸出與外界的聯(lián)系。
對于負(fù)載的上電過程，如果負(fù)載的輸入濾波電容不是鋁聚合物電解電容器，通常無需特意限制輸出的放電電流值。其原因是，小的薄膜電容器的容量相對很小，上電的瞬時沖擊電流持續(xù)時間極短，或可以通過回路的寄生電感加以限制。而負(fù)載用鋁電解電容器作為輸入濾波，則由于鋁電解電容器的ESR相對很大，有效地限制了負(fù)載上電過程的沖擊電流。
鋁聚合物電解電容器的并聯(lián)及與其它電容器的并聯(lián)
為將鋁聚合物電解電容器的紋波電流限制在允許范圍內(nèi)，可以采用多個容量小的鋁聚合物電解電容并聯(lián)。如10V/4.7mF電容器的額定紋波電流為670mA，而10V/47mF、10V/470mF的鋁聚合物電解電容器的額定紋波電流分別為1620mA、4510mA，從紋波電流值考慮，一個10V/47mF和一個10V/470mF分別可以用兩個半和6.7個10V/4.7mF替代。同樣，10個10V/4.7mF可以流過6700mA的紋波電流，而一個10V/47mF僅能流過1620mA的紋波電流。因此，在紋波電流比較大的應(yīng)用中，可以考慮采用多個電容器并聯(lián)的方式，在開關(guān)電源和電腦主板的電壓變換部分也常采用這種解決方案。由于寄生電感的作用，通常產(chǎn)生紋波電流的電路可以認(rèn)為是紋波電流源。這樣，濾波電容器的ESR與尖峰電壓的關(guān)系可以用式(6)表示：
其中，Vpeak、Ir分別為峰值電壓和紋波電流。
可以看到，若紋波電流峰值為5A，ESR為10mW，則紋波峰值電壓為50mV，若ESR為100mW，則紋波峰值電壓為500mV。10V/4.7mF、10V/47mF和10V/470mF鋁聚合物電解電容器的ESR分別為：240mW、50mW和13mW，如果這個紋波電流峰值分別流過上述電容器，則會產(chǎn)生1200mV、250mV、75mV紋波峰值電壓，如果用5個10V/47mF并聯(lián)，盡管容量僅為235mF，但是ESR可以下降到10mW，可以將紋波電壓峰值限制在50mV以內(nèi)。
與其它種類電容器并聯(lián)時，在低頻段，電容器呈容性，紋波電流根據(jù)電容量的比例分配。在中頻段則以ESR的倒數(shù)比例進(jìn)行分配，這是由于鋁聚合物電解電容器的ESR比鋁電解電容器和鉭電解電容器小得多，因此，將分得較大比例的紋波電流。在高頻段是按各電容器寄生電感的倒數(shù)比例進(jìn)行分配，寄生電感小的電容器將流過比較大的紋波電流。種類不同但容量相同的電容器并聯(lián)時，若在某個頻段，各電容器分別呈現(xiàn)容性、阻性、感性，則呈現(xiàn)容性的電容器上的紋波電流最大，通常，這個呈現(xiàn)容性的電容器就是鋁聚合物電解電容器，這就需要注意鋁聚合物電解電容器上的紋波電流是否超過允許的紋波電流值。
通過上述分析，可以看出鋁聚合物電解電容器由于其結(jié)構(gòu)和材料的不同，具有明顯優(yōu)于其它電解電容器的特點(diǎn)。在電路設(shè)計中應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，使設(shè)計簡捷、高效、可靠。
