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铌电容器 挑战的钽电容器

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高级钽粉和高效率封装的结合使钽电容领先于替代技术。例如,目前的钽电容能够以0402外壳尺寸在4V充电电压下提供22µF容值。在电压范围的另一端,我们可找到采用单个封装,在50V充电电压下提供47µF容值的钽电容。

传统钽电容的阴极系统使用二氧化锰(MnO2)材料。这种半导体材料提供自愈机制(这可带来长期稳定性)且相对便宜。但其富氧配方在高热的极端环境中容易导致起火。自上世纪90年代中期以来,导电聚合物技术趋于成熟,从而与MnO2产品形成互补。由于导电率显著高于MnO2,导电聚合物可降低ESR。这一进展与消除敏感应用中的起火危险相结合,推动了相关企业对这种技术的投资。

制造商提供种类广泛的钽电容产品系列,它们针对各种具体特征进行优化,并瞄准不同的应用和细分市场。这些不同的产品系列提供的优化包括更低的ESR、更小的尺寸、高可靠性(面向军用、汽车和医疗应用)、更小的直流漏电流、更低的ESL和更高的工作温度。本文侧重其中两个领域:更低的ESR和更小的尺寸。

●更低的ESR – 为实现最低ESR而优化,这些器件在脉冲或交流应用中提供更高的效率,在高噪声环境中提供更出色的滤波性能。

●更小的尺寸 – 结合高CV钽粉的使用和高效率封装,这些器件以紧凑尺寸提供高容值,适用空间紧张的应用,如智能手机、平板电脑和其他手持式消费电子设备。

减小ESR一直是钽电容设计的重要研究领域之一。钽粉的选择和生产期间涂敷阴极材料时所用的工艺对ESR有显著影响。但是,对于给定的额定值(容值、电压、尺寸),这些因素主要为设计约束并在目前的最先进器件上得到基本解决。使ESR减小的两个最主要因素是:阴极材料用导电聚合物替代MnO2,引线框架材料从铁镍合金改为铜(Cu)。

钽电容:铌电容器 挑战的钽电容器
铌电容器 挑战的钽电容器

传统钽电容的ESR主要源于阴极材料MnO2。如图1所示,MnO2的导电率约为0.1S/cm。相比之下,导电聚合物(如聚3,4-乙烯二氧噻吩)的导电率在100S/cm范围内。导电率的这一增加直接转换为ESR的显著减小。

在图2中,不同额定值下的ESR-频率曲线显示了钽电容器采用聚合物阴极系统的优势。通过直接比较MnO2和聚合物设计在A外壳 6.3 V / 47 μF额定值条件下的ESR-频率曲线,可以看出在100 kHz频率下聚合物设计使ESR的减小幅度多达一个数量级。

引线框架材料是改用导电率更高的材料后可改善ESR的另一个领域。如图3中的电容横截面所示,引线框架提供从内部电容器元件到封装外部的电连接。

铁镍合金(如Alloy 42)一直是引线框架材料传统选择。这些合金的优点包括低热膨胀系数(CTE)、低成本和制造中的易用性。铜引线框架材料加工方面的改进使其能够用于钽电容设计。由于导电率是Alloy 42的100倍,铜的使用对ESR有重要影响。例如,采用A外壳(EIA 3216)和传统引线框架的Vishay 100μF/6.3V T55聚合物钽电容在100kHz和25°C条件下提供70mΩ的最大ESR。通过改为铜引线框架,最大ESR可减小到40mΩ。

改善钽电容设计体积效率(容值密度)的两个主要因素是钽粉的演变和封装的改进。

电容设计中使用的钽粉的质量因数是:(容值◊电压)/质量,简写为CV/g。大规模生产中使用的钽粉的演变如图4所示。CV/g的这些增加与更小的颗粒尺寸和粉末纯度改善有关。在电容设计中使用这些材料本身就是一个复杂的研究领域,需要大量研发投资。

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