鉭固體電解電容

引言：在陽極上采用鉭燒結體，與MnO2型（傳送門Capacitor-5：MnO2鉭固體電解電容器）不同，在陰極上使用高電導性的導電性高分子，高分子型鉭固體電解電容因而實現了較低的ESR，具有優異的高頻率特性。此外通過大幅度的小型化偏平化，成為最適合于電子設備的小型化和薄型化的薄片電容器。由于具有自修復功能，其可靠性、耐熱性非常好。

1.鉭固體電解電容的結構和特點

鉭固體電解電容在阻抗理想的頻率特性下，最適合于用作各種噪聲除去用的去耦電器。可以讓更多的脈動電流流過，最適合于用作開關電源的平滑用，而在大電流的電路中，作為CPU周圍的負荷變動用儲能電容器。

鉭固體電解電容壽命長，在105 ℃下保證2000小時的使用壽命。高耐沖擊電流，通過自修復功能，保證耐受20A的沖擊電流。寬廣的容量范圍3.9μF～1500μF，通過各種系列的產品陣容，覆蓋寬廣的容量范圍。優異的溫度特性，在-55℃～125℃的范圍內，保持ESR穩定，高可靠性和高耐壓。

陽極材料：是以將鉭的金屬粉末與電極引出用鉭絲一體成型燒固而成的鉭燒結體為陽極材料，以在其表面形成的氧化皮膜為電介質，將導電性高分子使用到電解質中而制成的固體電解電容器。陽極材料的鉭燒結體為多孔質的結構，因此直到燒結體的內部具有較大的表面積。對于電容器來說，此表面積越大，越可獲得較高的靜電電容。

電解質（陰極材料）：電解質中所使用的導電性高分子，具有非常高的電導率。( 是一般的鉭電容器中所使用的二氧化錳的大約1000倍 ) 電導率越高，越可實現低 ESR。

圖6-1：剖面結構圖

鉭固體電解電容在電解質中采用導電性高分子，導電性高分子屬于有機物，具有在比較低的溫度( 大約 300 ℃) 下絕緣化的特征，具有抑制流經電介質氧化皮膜微小缺陷的漏電流的功能，我們將其功能叫做自修復功能。此外導電性高分子對于回流焊錫具有充分的耐熱性，回流焊后也照樣維持較高的電導率。

電解質中所使用的導電性高分子，其成分中不含氧分子。由于沒有氧分子，即使在萬一出現電介質氧化皮膜無法修復的裂紋，成為短路狀態的情況下，在鉭金屬與電解質之間也不會引起顯著的氧化反應。

2.故障模式和特性

陰極材料料雖然是導電性聚合物，但是屬于鉭電解電容器的一種，故障模式主要是短路故障 ( 回流焊時的熱沖擊引發的短路故障 )。此外在超過保證時間使用等的情況下，還會出現偶發性的靜電電容減少，ESR增大的故障。另一方面，由于是陰極中使用了有機物 ( 導電性聚合物 ) 的電容器，因而存在與導電性聚合物的劣化等引起的靜電電容的緩慢減少相伴的磨耗劣化。

頻率特性：

鉭固體電解電容的最大的特征是優異的頻率特性，通過在電解質中使用電導率高的導電性高分子，ESR跟以往的鉭電容器（MnO2）相比得到大幅度的改善，獲得了優異的頻率特性。

圖6-2左：與鋁電解電容器相比。如果對共振頻率附近處的阻抗進行比較就可獲知，鉭固體電解電容的阻抗比其他電容器低1位數以上。

圖6-2右：對阻抗及ESR的頻率特性進行了比較。其共振頻率因低ESL特性而升高，減低了高頻率區的阻抗。

圖6-2：頻率特性和阻抗/ESR比較

高溫和低溫特性：

鉭固體電解電容的高溫及低溫特性，其特點是ESR相對于溫度變化少。ESR的溫度特性穩定，意味著噪聲除去能力高。噪聲級從低溫到高溫變化少，也適合于需要溫度特性的戶外設備。圖6-3左：ESR溫度特性的比較，圖6-3右：靜電電容溫度特性的比較。

圖6-3：溫度特性比較

如果對陶瓷電容器施加電壓，則會顯示靜電電容減少的偏壓特性。從圖6-4可以獲知，施加電壓越高，靜電電容的減少量越大。鉭固體電解電容靜電電容不會因電壓施加(但在額定電壓以內)而減少，因此設計時可以無需考慮電壓施加造成的特性變化。

圖6-4：偏壓特性的比較POSCAPvs陶瓷電容器

包括鉭固體電解電容在內，在急速推進電解電容器的低ESR化。這里作為低ESR的優點，電容器的ESR越小，脈動除去能力越高。

瞬變響應特性：

① 關于CPU電源的低電壓化和瞬變響應特性

日益走向高速化的電腦的CPU所需要的電源，為了在大電流化的同時降低功耗，眼下正在推進低電壓化。通過低電壓化，相對于負荷變動時的電壓變動的容許幅度也將變小，如果變動大，就會導致CPU的錯誤動作。DC/DC轉換器在負荷剛剛變動后無法馬上在作出反應，在此期間需要通過電容器對電流進行后備，以抑制電壓變動。因此通常通過對導電性固體電解電容器(以下簡稱為聚合物電容器 ) 等的大容量電容器組合層疊陶瓷電容器 ( 以下簡稱為 MLCC) 進行負荷電流的后備，以抑制電壓的變動。

② 聚合物電容器的以往品與低ESL品的比較

圖6-5左表示以往的聚合物電容器與27個MLCC組合下的瞬變響應特性。負荷變化時的電壓變動為75mV。下面我們通過使用低ESL的電容器來確認對于瞬變響應特性具有哪些優點。首先，在圖6-5中列出以往的聚合物電容器上，在剛才所述的條件下將MLCC從27個減少至10個時的電壓變動波形。從中可以獲知，MLCC的數量減少，總體的ESL和ESR增大，靜電電容減少，電壓變動增大，為92mV。然后在圖6-5右中列出以往的聚合物電容器與ESR同等 , 將ESL置換為大約削減了50％的低ESL聚合物電容器時的瞬變響應特性。對圖6-5中和圖6-5右進行比較就可獲知，使用了低ESL聚合物電容器的一方，電壓變動減小至75mV，與圖6-5左所示的情況同等。這是由于低ESL聚合物電容器的ESL較小，因而可更為高速地覆蓋電流的后備。

圖6-5：左：以往的聚合物電容器 + MLCC(27p)，中：以往的聚合物電容器 + MLCC(10p)，右：低ESL聚合物電容器 + MLCC(10p)

由此可見在使用了低ESL聚合物電容器時，可以用較少數量的MLCC來獲得與使用了以往的聚合物電容器時同等的瞬變響應特性。

3.脈動除去能力：

如果提高DC/DC轉換器的開關頻率，就可降低構成電源的繞組和電容器的電感或靜電電容，從而可實現電源裝置的小型化。通常在使用電容器時，如果要進行小型化，靜電電容就會減小而ESR（電阻越并越小）增加，導致脈動除去能力的惡化。鉭固體電解電容的小型品由于其ESL較小，因而可通過提高開關頻率來改善在ESL上下降的脈動電壓。因此，可以在不減弱脈動除去能力下從較大的外殼尺寸置換為小型品。

下面我們通過一般的D尺寸 (7.3×4.3×2.8mm) 聚合物電容器與外殼尺寸比其更小的小型聚合物電容器的比較來驗證這一事實。

圖6-6左列出使用了D尺寸的聚合物電容器時的脈動電壓波形。ΔVESL為基于ESL的值的脈動電壓部分。然后在圖6-7中列出D尺寸的聚合物電容器與小型聚合物電容器的阻抗和ESR的頻率特性。從中可以獲知，相比D尺寸的聚合物電容器，小型聚合物電容器在1MHz以上的高頻率區域實現了低阻抗。因此在開關頻率較高的情況下，如果使用小型聚合物電容器，雖然靜電電容比D尺寸的聚合物電容器減小，ESR增大，但是可像圖6-6右中所示那樣，減低與圖6-6左同等的脈動電壓。可見，在較高的開關頻率下使用小型聚合物電容器時，可獲得優異的脈動除去能力。

***圖6-6：左：C=330μF, ESR=15mΩ, ESL=2.5nH，D尺寸的聚合物電容器，右：C=120μF, ESR=26mΩ, ESL=1.3nH，小型聚合物電容器***

圖6-7：D尺寸的聚合物電容器與小型聚合物電容器的阻抗和ESR的頻率特性比較