钽固体电解电容的结构和特点

钽固体电解电容

引言：在阳极上采用钽烧结体，与MnO2型（传送门Capacitor-5：MnO2钽固体电解电容器）不同，在阴极上使用高电导性的导电性高分子，高分子型钽固体电解电容因而实现了较低的ESR，具有优异的高频率特性。此外通过大幅度的小型化偏平化，成为最适合于电子设备的小型化和薄型化的薄片电容器。由于具有自修复功能，其可靠性、耐热性非常好。

1.钽固体电解电容的结构和特点

钽固体电解电容在阻抗理想的频率特性下，最适合于用作各种噪声除去用的去耦电器。可以让更多的脉动电流流过，最适合于用作开关电源的平滑用，而在大电流的电路中，作为CPU周围的负荷变动用储能电容器。

钽固体电解电容寿命长，在105 ℃下保证2000小时的使用寿命。高耐冲击电流，通过自修复功能，保证耐受20A的冲击电流。宽广的容量范围3.9μF～1500μF，通过各种系列的产品阵容，覆盖宽广的容量范围。优异的温度特性，在-55℃～125℃的范围内，保持ESR稳定，高可靠性和高耐压。

阳极材料：是以将钽的金属粉末与电极引出用钽丝一体成型烧固而成的钽烧结体为阳极材料，以在其表面形成的氧化皮膜为电介质，将导电性高分子使用到电解质中而制成的固体电解电容器。阳极材料的钽烧结体为多孔质的结构，因此直到烧结体的内部具有较大的表面积。对于电容器来说，此表面积越大，越可获得较高的静电电容。

电解质（阴极材料）：电解质中所使用的导电性高分子，具有非常高的电导率。( 是一般的钽电容器中所使用的二氧化锰的大约1000倍 ) 电导率越高，越可实现低 ESR。

图6-1：剖面结构图

钽固体电解电容在电解质中采用导电性高分子，导电性高分子属于有机物，具有在比较低的温度( 大约 300 ℃) 下绝缘化的特征，具有抑制流经电介质氧化皮膜微小缺陷的漏电流的功能，我们将其功能叫做自修复功能。此外导电性高分子对于回流焊锡具有充分的耐热性，回流焊后也照样维持较高的电导率。

电解质中所使用的导电性高分子，其成分中不含氧分子。由于没有氧分子，即使在万一出现电介质氧化皮膜无法修复的裂纹，成为短路状态的情况下，在钽金属与电解质之间也不会引起显著的氧化反应。

2.故障模式和特性

阴极材料料虽然是导电性聚合物，但是属于钽电解电容器的一种，故障模式主要是短路故障 ( 回流焊时的热冲击引发的短路故障 )。此外在超过保证时间使用等的情况下，还会出现偶发性的静电电容减少，ESR增大的故障。另一方面，由于是阴极中使用了有机物 ( 导电性聚合物 ) 的电容器，因而存在与导电性聚合物的劣化等引起的静电电容的缓慢减少相伴的磨耗劣化。

频率特性：

钽固体电解电容的最大的特征是优异的频率特性，通过在电解质中使用电导率高的导电性高分子，ESR跟以往的钽电容器（MnO2）相比得到大幅度的改善，获得了优异的频率特性。

图6-2左：与铝电解电容器相比。如果对共振频率附近处的阻抗进行比较就可获知，钽固体电解电容的阻抗比其他电容器低1位数以上。

图6-2右：对阻抗及ESR的频率特性进行了比较。其共振频率因低ESL特性而升高，减低了高频率区的阻抗。

图6-2：频率特性和阻抗/ESR比较

高温和低温特性：

钽固体电解电容的高温及低温特性，其特点是ESR相对于温度变化少。ESR的温度特性稳定，意味着噪声除去能力高。噪声级从低温到高温变化少，也适合于需要温度特性的户外设备。图6-3左：ESR温度特性的比较，图6-3右：静电电容温度特性的比较。

图6-3：温度特性比较

如果对陶瓷电容器施加电压，则会显示静电电容减少的偏压特性。从图6-4可以获知，施加电压越高，静电电容的减少量越大。钽固体电解电容静电电容不会因电压施加(但在额定电压以内)而减少，因此设计时可以无需考虑电压施加造成的特性变化。

图6-4：偏压特性的比较POSCAPvs陶瓷电容器

包括钽固体电解电容在内，在急速推进电解电容器的低ESR化。这里作为低ESR的优点，电容器的ESR越小，脉动除去能力越高。

瞬变响应特性：

① 关于CPU电源的低电压化和瞬变响应特性

日益走向高速化的电脑的CPU所需要的电源，为了在大电流化的同时降低功耗，眼下正在推进低电压化。通过低电压化，相对于负荷变动时的电压变动的容许幅度也将变小，如果变动大，就会导致CPU的错误动作。DC/DC转换器在负荷刚刚变动后无法马上在作出反应，在此期间需要通过电容器对电流进行后备，以抑制电压变动。因此通常通过对导电性固体电解电容器(以下简称为聚合物电容器 ) 等的大容量电容器组合层叠陶瓷电容器 ( 以下简称为 MLCC) 进行负荷电流的后备，以抑制电压的变动。

② 聚合物电容器的以往品与低ESL品的比较

图6-5左表示以往的聚合物电容器与27个MLCC组合下的瞬变响应特性。负荷变化时的电压变动为75mV。下面我们通过使用低ESL的电容器来确认对于瞬变响应特性具有哪些优点。首先，在图6-5中列出以往的聚合物电容器上，在刚才所述的条件下将MLCC从27个减少至10个时的电压变动波形。从中可以获知，MLCC的数量减少，总体的ESL和ESR增大，静电电容减少，电压变动增大，为92mV。然后在图6-5右中列出以往的聚合物电容器与ESR同等 , 将ESL置换为大约削减了50％的低ESL聚合物电容器时的瞬变响应特性。对图6-5中和图6-5右进行比较就可获知，使用了低ESL聚合物电容器的一方，电压变动减小至75mV，与图6-5左所示的情况同等。这是由于低ESL聚合物电容器的ESL较小，因而可更为高速地覆盖电流的后备。

图6-5：左：以往的聚合物电容器 + MLCC(27p)，中：以往的聚合物电容器 + MLCC(10p)，右：低ESL聚合物电容器 + MLCC(10p)

由此可见在使用了低ESL聚合物电容器时，可以用较少数量的MLCC来获得与使用了以往的聚合物电容器时同等的瞬变响应特性。

3.脉动除去能力：

如果提高DC/DC转换器的开关频率，就可降低构成电源的绕组和电容器的电感或静电电容，从而可实现电源装置的小型化。通常在使用电容器时，如果要进行小型化，静电电容就会减小而ESR（电阻越并越小）增加，导致脉动除去能力的恶化。钽固体电解电容的小型品由于其ESL较小，因而可通过提高开关频率来改善在ESL上下降的脉动电压。因此，可以在不减弱脉动除去能力下从较大的外壳尺寸置换为小型品。

下面我们通过一般的D尺寸 (7.3×4.3×2.8mm) 聚合物电容器与外壳尺寸比其更小的小型聚合物电容器的比较来验证这一事实。

图6-6左列出使用了D尺寸的聚合物电容器时的脉动电压波形。ΔVESL为基于ESL的值的脉动电压部分。然后在图6-7中列出D尺寸的聚合物电容器与小型聚合物电容器的阻抗和ESR的频率特性。从中可以获知，相比D尺寸的聚合物电容器，小型聚合物电容器在1MHz以上的高频率区域实现了低阻抗。因此在开关频率较高的情况下，如果使用小型聚合物电容器，虽然静电电容比D尺寸的聚合物电容器减小，ESR增大，但是可像图6-6右中所示那样，减低与图6-6左同等的脉动电压。可见，在较高的开关频率下使用小型聚合物电容器时，可获得优异的脉动除去能力。

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

图6-7：D尺寸的聚合物电容器与小型聚合物电容器的阻抗和ESR的频率特性比较