低ESR铝电解电容器及其应用

1、低ESR铝电解电容器及其应用北京航空航天大学教授方佩敏 铝电解电容器是常用的元件,主要用于滤波、去耦及低频信号耦合等场合。一般的铝电解电容器其电解质是二氧化锰或其它电解液组成的,它的等效串联电阻(ESR)较高,温度特性较差,允许纹波电流较小。近年来开发出一种新型有机半导体铝固体电解电容器,它采用高性能的电解质材料(有机半导体),其导电性高,ESR值低,并且有良好的频率特性、温度特性及允许通过更多的纹波电流等特点。本文介绍日本三洋(SANYO)公司研究开发的有机半导体铝固体电解电容器,商标为OS-CON,以下简称此类电容器为OS-CON。OS-CON的电解质OS-CON的构造与一般的铝

2、电解电容器基本相同,电容芯采用铝箔卷绕结构(如图1所示),所不同的是采用有机半导体材料代替电解液,采用特殊的工艺:经加热、熔解、冷却固化后形成的多结晶组成的高导体。它的成份是TCNQ复合盐半导体。它主要的特点是:它是固体电解质,不会因电解液干涸而造成容量减少、tan增加的问题,另外,因为电解液是用离子传导,TCNQ复合盐是用电子传导,电子传导要比离子传导快得多,所以导电性比电解液的电容约高100倍(即电阻值低)。高导电性有利于温度的稳定。OS-CON的电气特性OS-CON虽然是电解电容器但却有与薄膜电容器相同的高频特性,这是由于高导电性电解质的ESR低,从而大幅度提高高频特性。其谐振点在100

3、kHz10MHz之间,820F的OS-CON在100kHz时,其ESR约为10m,在10MHz时其ESR约为20m。OS-CON的温度特性(随温度变化而引起ESR变化)极好,并且随温度变化而引起的电容量变化也较小。OS-CON的ESR温度特性如图2所示,OS-CON的电容量的温度特性如图3所示。由图可以明显看出:一般铝电解电容器在低温时ESR值更大,电容量变得更小,不适于低温使用,而OS-CON较适合用于要求低温特性好的场合,如室外使用的电子设备或车载电子设备等。滤波电容的主要指标之一是允许纹波电流的大小,ESR大的电容引起发热大则允许纹波电流小,三种不同电容器铝低阻抗电解电容器、钽低阻抗电解

4、电容器、OS-CON(SA系列)的比较如图4所示。可以看出OS-CON允许纹波电流最大,即同样的纹波电流时,可以用容量更小的OS-CON来代替。OS-CON有极好的消除纹波电压(或干扰)的能力。例如,三洋公司做的实验:在5V直流电压上叠加一个正弦波交流1Vp-p(频率100kHz20MHz)的纹波电压,用四种不同的电容器来滤波消除纹波电压,另用一种22H及47F铝电解电容并联0.022F陶瓷电容组成LC滤波器,其滤波后剩余的纹波电压如图5所示。由图5可看出:一般铝电解电容从10F提高到100F,除干扰的能力也仅仅提高1.3倍。钽电容的滤波效果比铝电解电容好,在1MHz时剩余纹波电压为铝电解电容

5、(10F)的1/2,但在10MHz以上也不理想。LC滤波器在1MHz以下有较好效果,但在10MHz以上时也并不理想,而10F的OS-CON在100kHz20MHz频率变化时,剩余纹波电压最小,在1MHz时约为1mV。若要达到10F的OS-CON同样的效果,铝电解电容要4701000F以上;钽电解电容要47F以上。 即使在-20,OS-CON的性能也稳定,毫无下降,而铝电解电容的性能在0附近开始变坏,如图6所示。LC滤波器的性能也因电容性能变坏而降低其滤波效果。这一特性在开关电源中采用OS-CON来作LC滤波器时效果极好。在开关电源工作频率为200kHz及500kHz时,三种不同输出电

6、容的结果如表1、表2所示。由表12可以看出,在200kHz及500kHz时OS-CON电容在剩余纹波电压基本相同的条件下,它的电容量最小,并且尺寸也最小。OS-CON在开关电源上的应用图7为正激式开关电源的部分电路图。Q1为开关管,T1为高频变压器,D1、D2为整流二极管,整流后经L2、C2滤波输出直流电压Vo。该电源输出电压Vo=5V,输出最大电流Io=2A,要求纹波电压50mVp-p。该开关电源工作频率100kHz,工作温度-20+85。通过电感L2的电流波形如图8所示。一般情况下, IL约是输出电流Io的2030%,若按20%计算,纹波电流IL为IL=Io×20%=2×

7、;0.2=0.4A输出纹波电压Vr与纹波电流及滤波电容C2的ESR有关, Vr为Vr=IL×ESR根据要求的输出的纹波电压50mVp-p及IL=0.4A,可以计算出要求的ESR为125m。另外,通过电容C2的纹波电流Icrms为按此公式可计算出Icrms=115.6mA可根据要求的ESR值及要求通过的纹波电流来选择OS-CON。可查资料选用SA系列的33F10V电容。其规格是,100kHz时ESR=80m以下,最大允许纹波电流(100kHz,85)为1120mA。若采用高频用铝电解电容,一般需要15002000F/10V。OS-CON在电压变换电路中的应用电荷泵电压变换电路中要用两个

8、电容器,如图9所示。其输出电阻Rout与输出纹波电压VRIPPLE与C1、C2的ESR有关。输出电阻ROUT与C1、C2的ESR关系为:式中ESRC2为C2的ESR。可根据要求VRIPPLE来选择C2。采用OS-CON不仅输出电阻小,而且纹波电压也小,即电压变换器有较好的输出特性。音响系统的音质受电源的影响很大,在音响的电源上并联一个OS-CON,对音质有一定的改善,如图10所示。图10-a为DAC的模拟电路电源及数字电路电源部分都并联了OS-CON,它能改善微小信号的再现能力;图10-b、图10-c为运放IC及功放IC 并联OS-CON的情况。它能提高中音域的信息量,1F开始见效(容量越大效

9、果越明显),在中音域表现得尤为突出。在OS-CON与铝电解电容器并联使用时,由于OS-CON的ESR低,因此流入的纹波电流较大,在选择OS-CON时要特别注意。例如,在1000F的铝电解电容上并联一个100F的OS-CON,如图11-a所示。若纹波电流Ir=1000mA,若忽略电容的容抗,如图11-b所示。则流过OS-CON的纹波电流Ir1为:按图中的ESR值代入,Ir1=727mA由此可见OS-CON的容量仅为铝电解电容的十分之一,但它通过73%左右的纹波电流,并且,由于两个电容的ESR也是关联的,其总的ESR更小。OS-CON系列OS-CON电容从1F到2000F;额定电压从6.3V25V;ESR(100300kHz)从600m到十几m;工作温度范围-55+105;tan从0.030.1;漏电流从0.5A到几百A(与电容量大小及工作电压大小有关;电容量越大,工作电压越高,则漏电流越大)。 在结构上有双引线型及贴装型,如图12所示。各系列具体参数不一一列举。使用中注意事项1.注意极性在使用时勿错置极性,错置会造成漏电流增加及影响寿命。2.禁止过电压使用即使是瞬间超过额定电压,也会引起短路。纹波电压较大时,要考虑纹波电压影响。3.不适合用作耦合电容使用4.限制快速充放电快速充放电引起的强冲击电流(