聚合物電容大容量低ESR優(yōu)勢(shì)明顯，替代部分車規(guī)MLCC

從電解電容到高分子固體聚合物電容

所有品類的電容都在不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和發(fā)展，電解電容也是。傳統(tǒng)電解電容里常見的是鉭電解電容和鋁電解電容，二者的容值范圍都非常大。不同之處在于鉭電解電容體積更小不容易受溫度影響，鋁電解電容成本更低，電壓范圍更大。

不過傳統(tǒng)電解電容都有其缺點(diǎn)，鋁電解電容擺脫不了物理特性容易出現(xiàn)受熱膨脹的特性，很容易出現(xiàn)漏液的危險(xiǎn)現(xiàn)象，而鉭作為一種資源性材料產(chǎn)量小成本也更高。為了解決這些限制，高分子固體聚合物電容被開發(fā)了出來。

高分子固體聚合物電容以高分子導(dǎo)電材料取代傳統(tǒng)電解液的電解電容器，在高頻低阻抗性能、高溫耐受性、漏液特性上均實(shí)現(xiàn)了明顯的性能提升。在很多應(yīng)用中，開始替換某些無機(jī)和有機(jī)介質(zhì)電容器。

聚合物鉭/鋁電解電容器通過以多層鉭/鋁箔結(jié)構(gòu)為陽(yáng)極，以固體導(dǎo)電聚合物為陰極，陰極材料的創(chuàng)新發(fā)展，給電解電容帶來了很多性能上的改變，最直接的效果就是實(shí)現(xiàn)了低ESR、低阻抗和高靜電容量。

所謂導(dǎo)電高分子，其材料是具有導(dǎo)電性的一類聚合材料，可以是本身具有導(dǎo)電功能或摻雜其他材料后也具有導(dǎo)電功能的一種聚合物材料，也可以通過填充復(fù)合材料，表面混合或?qū)訅浩胀ň酆衔锊牧虾透鞣N導(dǎo)電材料獲得導(dǎo)電性。

以聚合物鉭電容為例，聚合物鉭電容器不使用陰陽(yáng)極片，陽(yáng)極由鉭粉燒結(jié)成的鉭顆粒制成。這種顆粒經(jīng)過陽(yáng)極氧化處理，整個(gè)陽(yáng)極表面形成五氧化二鉭（Ta2O5）介質(zhì)層。然后，用高導(dǎo)電聚合物浸漬氧化顆粒用作陰極。

雖然結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的二氧化錳（MnO2）鉭電容結(jié)構(gòu)相似，但是導(dǎo)電聚合物電容使用固有導(dǎo)電聚合物材料，導(dǎo)電率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，導(dǎo)電聚合物電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）大大低于MnO2電容器，并且降低了所需的電壓降額。

聚合物鉭電容與聚合物鋁電容

高分子固體聚合物電解電容優(yōu)勢(shì)最直觀的就是容量大幅提升ESR大幅降低。液態(tài)電解質(zhì)用作陰極時(shí)，離子在液態(tài)電解質(zhì)中移動(dòng)較為緩慢，這帶來了更高的阻抗。而聚合物是利用電子導(dǎo)電，其電導(dǎo)率比液態(tài)電解質(zhì)高3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此聚合物電解電容有極低的ESR。

以MnO2鉭電容器為例，其ESR典型值為40－50mΩ，這種相對(duì)較高的ESR值無疑是一個(gè)短板，在10kHz以上的應(yīng)用中這樣的高ESR使其應(yīng)用范圍嚴(yán)重受限。相較而言，聚合物鉭電容將ESR降低到了5mΩ以下，因此可用于高達(dá)500kHz的應(yīng)用中。通常，ESR過高而引發(fā)的電路故障是很難檢測(cè)的，只能在設(shè)計(jì)之初就考慮好它可能帶來的影響，更低的ESR在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)上無疑是更友好的。

第二點(diǎn)在于穩(wěn)定性，容量的穩(wěn)定性。陰極材料的差別會(huì)讓容量穩(wěn)定性有很大差異，陰極如果在高溫下表現(xiàn)出更高的活躍度，對(duì)電容的整體性能會(huì)產(chǎn)生很大影響，一般這種影響都是弊大于利的，甚至是在溫度過高時(shí)出現(xiàn)爆漿，在低溫時(shí)其穩(wěn)定性也會(huì)出現(xiàn)明顯改變。受到外加電壓時(shí)同樣。

容值穩(wěn)定性的意義在于聚合物電容的容量隨溫度、電壓和時(shí)間變化的幅度不大，呈現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期性能穩(wěn)定性，有著極長(zhǎng)的使用壽命。聚合物鉭電容在－55℃低溫下容值幾乎沒有變化，不過高溫同樣會(huì)讓高分子分解影響性能。

雖然高溫均會(huì)影響到電容，但相較之下，聚合物電解質(zhì)發(fā)生短路時(shí)不易燃燒，安全性更高，而二氧化錳電解質(zhì)，容易與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒。

上面這些是聚合物鉭電容與聚合物鋁電容都具備的特點(diǎn)，但其實(shí)二者作為最常見的兩類電解電容還是有差別的，就是容量在頻率之間的權(quán)衡。在工作頻率接近1MHz時(shí)，聚合物鋁電解電容器的確也能夠?qū)崿F(xiàn)低到2mΩ左右的ESR，如果再配合一些復(fù)雜設(shè)計(jì)，還可實(shí)現(xiàn)再高一些的電容保持。

但是，這種ESR降低是通過折中聚合物鋁電解電容器的最大電容量來實(shí)現(xiàn)的，其電容值只有相同封裝尺寸的聚合物鉭電容的50%-80%。在對(duì)電容器的容積效率、可靠性、額定電壓和大容量提出更高的要求的場(chǎng)合，聚合物鉭電容無疑更具優(yōu)勢(shì)。

聚合物鉭電容替代部分車規(guī)MLCC

聚合物鉭電容長(zhǎng)期以來作為相控陣?yán)走_(dá)、航空電子控制和顯示以及電力系統(tǒng)等高端領(lǐng)域應(yīng)用的大容量電容，在容積效率、可靠性、大容量上是肯定沒有問題的。增加堆疊選件還能在小面積下做更大的容量，節(jié)省大量PCB空間。這種大容量，高額壓使聚合物鉭電容器成為脈沖雷達(dá)、激光雷達(dá)、保持電路等應(yīng)用中的絕佳選擇。

近年來MLCC的火熱程度是有目共睹的，尤其是車規(guī)產(chǎn)品，0805尺寸及以上系列的供應(yīng)依舊比較緊張。不少廠商也在尋找替代方案以應(yīng)對(duì)車規(guī)MLCC供應(yīng)鏈不穩(wěn)定性，供貨緊張的行情。

聚合物鉭電容的高穩(wěn)定性、尺寸靈活、大容量、高額壓成為不錯(cuò)的一個(gè)替代方向。而且關(guān)鍵之處在于，聚合物鉭電容和MLCC重合的容值范圍是1uF-1000uF，電壓范圍是2.5V—75V，正好是一些車規(guī)MLCC覆蓋的范圍。

直接替換是不實(shí)際的，只有很少一部分系列的MLCC能直接被聚合物鉭電容替代，絕大多數(shù)還是需要重新測(cè)試并修改PCB設(shè)計(jì)。當(dāng)然，二者在電氣特性上的不同也是替換時(shí)需要特別注意的。

現(xiàn)在已經(jīng)有一些車規(guī)級(jí)MLCC應(yīng)用采用聚合物鉭電容來進(jìn)行替代，并取得了良好的替代效果，很多車規(guī)應(yīng)用的板上由于輸出功率的增大，會(huì)面臨增多MLCC卻又無法擺放的窘境。聚合物鉭電容的替代可以在不增加電容數(shù)量的前提下，解決不少板上空間問題。

小結(jié)

電容技術(shù)一直在飛速發(fā)展，各類電容也需要在小型化、高容化、高耐電壓性以及高可靠性上持續(xù)升級(jí)。聚合物電容作為大容值電容的代表品類也在不斷拓展應(yīng)用，隨著汽車領(lǐng)域元器件小型化的進(jìn)一步發(fā)展，小尺寸大容量聚合物鉭電容在一些車內(nèi)應(yīng)用里替代某些MLCC的方案還是很有價(jià)值的。