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钽电容器的阳极选择
作者:AVX公司 T.Zednicek L.Marek S.Zednicek
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开关电源,微处理器和数字电路应用的一个共同趋势是降低高频工作时的噪声。为了做到这一点,元器件必须具备低ESR(电阻率)、高电容和高可靠性。

钽电容器阳极的总体表面积,特别是其表面积与体积比,是确定其ESR值的关键参数之一,总表面积越大,ESR值越大。使用多阳极是大幅降低钽电容器ESR值的其中一种方法,其做法是在一个电容体中使用多个相同的电极材料。

传统的做法

在高寿命和高可靠性应用中,二氧化锰电板极常规钽电容器仍然是一个普遍的选择。二氧化锰技术能提供极好的场性能和环境稳定性以及在很宽的电压范围如2.5~50V内提供高电阻率和热阻率,器件设计的运行温度在125℃以上。然而,与聚合物钽电容器相比,二氧化锰电极系统较高的ESR是一个缺点。

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阳极选择

单一阳极技术成为标准通用型选择是由于其出色的性价比。多阳极设计可提供更低的ESR值,但其缺点是生产成本要高于单阳极解决方案。

使用标准的芯片集成工艺的槽式阳极设计是低ESR与低成本折中的一种结果。因此,槽式设计通常用于价格敏感同时要求低ESR的设计,而多阳极技术适合用于既要求低ESR更要求高可靠性的应用中,如电信基础设施、网络、服务器和军事/航空航天等应用。

除了上述差异,多阳极的概念有另两处优势。

(1)多阳极设计具有更好的散热性能,这意味着多阳极电容可以承载更高的持续电流;同理,多阳极电容对抗电流浪涌危害的能力也更强。

(2)相较于单一的阳极,多阳极电容的单位容积效率较低,这导致了一种假设,认为多阳极不能达到与单一阳极一样的CV(定电压因素)。事实上,薄的阳极实现起来更容易,并且更易被第二个二氧化锰电极系统穿透,使更高的CV得以利用,因此,多阳极电容器能达到同样甚至更高的CV水平。

常见多阳极类型

当今市场上常用的钽多阳极通常采用纵向排列3~5个阳极于一个电容体内的方法实现,如图1所示。这实际是从制造的角度来看的,如果从ESR的角度,此解决办法则不如横向布局,横向布局中更薄的平板阳极有望进一步减小ESR。

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图1 多阳极装置在一个电容器体中使用两个或两个以上的阳极

新的多阳极装置多阳极设计的费用随其阳极个数增长而成倍增长。目前大多数设计中使用的三阳极设计已接近成本与ESR的最佳优化比。

纵向设计的结构中,一个阳极通过电极银胶环氧树脂连接到第二个,再到另一个电极引线框。同样的做法被使用于标准的单阳极电容中,因此其制造技术与旧有的类似,无须为多阳极设计的新技术环节追加很多额外投资。

另一方面,横向设计需要为阳极之间的连接产生新的解决方法,这直接导致了代价高昂的技术修改。因此,迄今为止这种设计并没有被用于单一多阳极电容的批量生产。横向的设计更经常使用于一些特殊应用中,方式是通过焊接或跳汰系统,将两个或两个以上完整的电容器叠加到阵列或模块中。

横向和纵向结构两者ESR性能之间的差异如图2所示。这个例子是基于对D类电容器的理论计算,图2表明,两阳极横向结构与三阳极系统的纵向结构的ESR值相似。然而,相对而言横向结构在ESR上性价比优势更显著。

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图2 横向和纵向结构性能表现相似,成本成为决定因素

相比横向结构,纵向设计在缩减高度上受限制更大,目前的电容器高度一般在3.5~4.5mm。今天,这一因素更显重要,甚至在有如电信基础设施、军事等应用中,电子产品的小型化也正成为一个考验,这在过去是不曾有的。

利用两个阳极横向“镜像”结构,研究人员已经开发出一种新型的多阳极结构。镜像结构使用改良的引线框形状,引线框定位于两阳极中间。这种结构解决了电极横向排列的连接问题,并使工艺改装费用下降到了可接受的水平。

两阳极镜像设计的ESR性能稍逊色于三阳极纵向结构的效果,但它制造起来更便宜。镜像设计的主要好处在于,它使多阳极电容器的高度减小,最低下降到3.1mm。

利用镜像设计的其他优点是,其对称的布局有助于减少自感(ESL)。对称的结构对电感回路作了部分补偿,有利于将ESL降低至采用经典引线框设计的方案之下。

一个D类单阳极设计的ESL值为2.4nH,典型值为2.1nH左右。镜像设计的ESL值约1nH为常规设计的一半。这会将镜像多阳极的共振频率升至更高值,如图3所示。

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图3 镜像设计的性能
(a)显示出其电容随频率下降值低于单阳极解决方案,并且其(b)ESR值也是如此

镜像结构如果使用更薄的阳极,电容将随频率下降至更低。镜像设计的共振频率改变,其原因是目前一般的 DC/DC转换器其开关频率的工作范围(250~500kH)会因降低ESL而显著升高。

镜像设计的另一个好处是改善了其散热性能如图4所示,纹波电流在阳极产生的热量通过PCB板上的引线和钽丝得以发散冷却。

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因此,尽管单阳极D类电容可连续散热只有150mW,但类似尺寸的镜像结构电容可以处理255mW。镜像横向型多阳极电容器目前可达到的电容值为220~1000μF,电压为2.5~10V,ESR值为25~35mΩ。未来的发展将进一步扩展电压范围至35和50V,这将使电容器在设计高度日趋重要的电信新应用中非常具吸引力。单个35~50V电容在 3.1mm的最大高度内拥有10~22μF的电容量,65~140mΩ的ESR值,这是其他任何技术都难以企及的。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/5/2009)
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