低ESR鋁電解電容器及其應(yīng)用

1、低ESR鋁電解電容器及其應(yīng)用北京航空航天大學(xué)教授方佩敏 鋁電解電容器是常用的元件,主要用于濾波、去耦及低頻信號(hào)耦合等場(chǎng)合。一般的鋁電解電容器其電解質(zhì)是二氧化錳或其它電解液組成的,它的等效串聯(lián)電阻(ESR)較高,溫度特性較差,允許紋波電流較小。近年來(lái)開(kāi)發(fā)出一種新型有機(jī)半導(dǎo)體鋁固體電解電容器,它采用高性能的電解質(zhì)材料(有機(jī)半導(dǎo)體),其導(dǎo)電性高,ESR值低,并且有良好的頻率特性、溫度特性及允許通過(guò)更多的紋波電流等特點(diǎn)。本文介紹日本三洋(SANYO)公司研究開(kāi)發(fā)的有機(jī)半導(dǎo)體鋁固體電解電容器,商標(biāo)為OS-CON,以下簡(jiǎn)稱此類電容器為OS-CON。OS-CON的電解質(zhì)OS-CON的構(gòu)造與一般的鋁

2、電解電容器基本相同,電容芯采用鋁箔卷繞結(jié)構(gòu)(如圖1所示),所不同的是采用有機(jī)半導(dǎo)體材料代替電解液,采用特殊的工藝:經(jīng)加熱、熔解、冷卻固化后形成的多結(jié)晶組成的高導(dǎo)體。它的成份是TCNQ復(fù)合鹽半導(dǎo)體。它主要的特點(diǎn)是:它是固體電解質(zhì),不會(huì)因電解液干涸而造成容量減少、tan增加的問(wèn)題,另外,因?yàn)殡娊庖菏怯秒x子傳導(dǎo),TCNQ復(fù)合鹽是用電子傳導(dǎo),電子傳導(dǎo)要比離子傳導(dǎo)快得多,所以導(dǎo)電性比電解液的電容約高100倍(即電阻值低)。高導(dǎo)電性有利于溫度的穩(wěn)定。OS-CON的電氣特性O(shè)S-CON雖然是電解電容器但卻有與薄膜電容器相同的高頻特性,這是由于高導(dǎo)電性電解質(zhì)的ESR低,從而大幅度提高高頻特性。其諧振點(diǎn)在100

3、kHz10MHz之間,820F的OS-CON在100kHz時(shí),其ESR約為10m,在10MHz時(shí)其ESR約為20m。OS-CON的溫度特性(隨溫度變化而引起ESR變化)極好,并且隨溫度變化而引起的電容量變化也較小。OS-CON的ESR溫度特性如圖2所示,OS-CON的電容量的溫度特性如圖3所示。由圖可以明顯看出:一般鋁電解電容器在低溫時(shí)ESR值更大,電容量變得更小,不適于低溫使用,而OS-CON較適合用于要求低溫特性好的場(chǎng)合,如室外使用的電子設(shè)備或車載電子設(shè)備等。濾波電容的主要指標(biāo)之一是允許紋波電流的大小,ESR大的電容引起發(fā)熱大則允許紋波電流小,三種不同電容器鋁低阻抗電解電容器、鉭低阻抗電解

4、電容器、OS-CON(SA系列)的比較如圖4所示?？梢钥闯鯫S-CON允許紋波電流最大,即同樣的紋波電流時(shí),可以用容量更小的OS-CON來(lái)代替。OS-CON有極好的消除紋波電壓(或干擾)的能力。例如,三洋公司做的實(shí)驗(yàn):在5V直流電壓上疊加一個(gè)正弦波交流1Vp-p(頻率100kHz20MHz)的紋波電壓,用四種不同的電容器來(lái)濾波消除紋波電壓,另用一種22H及47F鋁電解電容并聯(lián)0.022F陶瓷電容組成LC濾波器,其濾波后剩余的紋波電壓如圖5所示。由圖5可看出:一般鋁電解電容從10F提高到100F,除干擾的能力也僅僅提高1.3倍。鉭電容的濾波效果比鋁電解電容好,在1MHz時(shí)剩余紋波電壓為鋁電解電容

5、(10F)的1/2,但在10MHz以上也不理想。LC濾波器在1MHz以下有較好效果,但在10MHz以上時(shí)也并不理想,而10F的OS-CON在100kHz20MHz頻率變化時(shí),剩余紋波電壓最小,在1MHz時(shí)約為1mV。若要達(dá)到10F的OS-CON同樣的效果,鋁電解電容要4701000F以上;鉭電解電容要47F以上。 即使在-20,OS-CON的性能也穩(wěn)定,毫無(wú)下降,而鋁電解電容的性能在0附近開(kāi)始變壞,如圖6所示。LC濾波器的性能也因電容性能變壞而降低其濾波效果。這一特性在開(kāi)關(guān)電源中采用OS-CON來(lái)作LC濾波器時(shí)效果極好。在開(kāi)關(guān)電源工作頻率為200kHz及500kHz時(shí),三種不同輸出電

6、容的結(jié)果如表1、表2所示。由表12可以看出,在200kHz及500kHz時(shí)OS-CON電容在剩余紋波電壓基本相同的條件下,它的電容量最小,并且尺寸也最小。OS-CON在開(kāi)關(guān)電源上的應(yīng)用圖7為正激式開(kāi)關(guān)電源的部分電路圖。Q1為開(kāi)關(guān)管,T1為高頻變壓器,D1、D2為整流二極管,整流后經(jīng)L2、C2濾波輸出直流電壓Vo。該電源輸出電壓Vo=5V,輸出最大電流Io=2A,要求紋波電壓50mVp-p。該開(kāi)關(guān)電源工作頻率100kHz,工作溫度-20+85。通過(guò)電感L2的電流波形如圖8所示。一般情況下, IL約是輸出電流Io的2030%,若按20%計(jì)算,紋波電流IL為IL=Io×20%=2×

7、;0.2=0.4A輸出紋波電壓Vr與紋波電流及濾波電容C2的ESR有關(guān), Vr為Vr=IL×ESR根據(jù)要求的輸出的紋波電壓50mVp-p及IL=0.4A,可以計(jì)算出要求的ESR為125m。另外,通過(guò)電容C2的紋波電流Icrms為按此公式可計(jì)算出Icrms=115.6mA可根據(jù)要求的ESR值及要求通過(guò)的紋波電流來(lái)選擇OS-CON。可查資料選用SA系列的33F10V電容。其規(guī)格是,100kHz時(shí)ESR=80m以下,最大允許紋波電流(100kHz,85)為1120mA。若采用高頻用鋁電解電容,一般需要15002000F/10V。OS-CON在電壓變換電路中的應(yīng)用電荷泵電壓變換電路中要用兩個(gè)

8、電容器,如圖9所示。其輸出電阻Rout與輸出紋波電壓VRIPPLE與C1、C2的ESR有關(guān)。輸出電阻ROUT與C1、C2的ESR關(guān)系為:式中ESRC2為C2的ESR。可根據(jù)要求VRIPPLE來(lái)選擇C2。采用OS-CON不僅輸出電阻小,而且紋波電壓也小,即電壓變換器有較好的輸出特性。音響系統(tǒng)的音質(zhì)受電源的影響很大,在音響的電源上并聯(lián)一個(gè)OS-CON,對(duì)音質(zhì)有一定的改善,如圖10所示。圖10-a為DAC的模擬電路電源及數(shù)字電路電源部分都并聯(lián)了OS-CON,它能改善微小信號(hào)的再現(xiàn)能力;圖10-b、圖10-c為運(yùn)放IC及功放IC 并聯(lián)OS-CON的情況。它能提高中音域的信息量,1F開(kāi)始見(jiàn)效(容量越大效

9、果越明顯),在中音域表現(xiàn)得尤為突出。在OS-CON與鋁電解電容器并聯(lián)使用時(shí),由于OS-CON的ESR低,因此流入的紋波電流較大,在選擇OS-CON時(shí)要特別注意。例如,在1000F的鋁電解電容上并聯(lián)一個(gè)100F的OS-CON,如圖11-a所示。若紋波電流Ir=1000mA,若忽略電容的容抗,如圖11-b所示。則流過(guò)OS-CON的紋波電流Ir1為:按圖中的ESR值代入,Ir1=727mA由此可見(jiàn)OS-CON的容量?jī)H為鋁電解電容的十分之一,但它通過(guò)73%左右的紋波電流,并且,由于兩個(gè)電容的ESR也是關(guān)聯(lián)的,其總的ESR更小。OS-CON系列OS-CON電容從1F到2000F;額定電壓從6.3V25V;ESR(100300kHz)從600m到十幾m;工作溫度范圍-55+105;tan從0.030.1;漏電流從0.5A到幾百A(與電容量大小及工作電壓大小有關(guān);電容量越大,工作電壓越高,則漏電流越大)。 在結(jié)構(gòu)上有雙引線型及貼裝型,如圖12所示。各系列具體參數(shù)不一一列舉。使用中注意事項(xiàng)1.注意極性在使用時(shí)勿錯(cuò)置極性,錯(cuò)置會(huì)造成漏電流增加及影響壽命。2.禁止過(guò)電壓使用即使是瞬間超過(guò)額定電壓,也會(huì)引起短路。紋波電壓較大時(shí),要考慮紋波電壓影響。3.不適合用作耦合電容使用4.限制快速充放電快速充放電引起的強(qiáng)沖擊電流(