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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
3、特性。其谐振点在 100kHz10MHz 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
4、 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
5、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(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
6、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
7、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, I L约是输出电流 Io的 2030%,若按 20%计算,纹波电流I L为I L=Io20%=20.2=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=I LESR根据要求的输出的纹波电压 50mVp-p 及I L=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
8、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
9、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
10、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
11、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(超过 10A)会造成短路及增加漏电流。可在电路中串一电阻,使电流不大于 10A 即可。5.在额定电压为 16V 以上的电容,工作电压可采用额定电压的 80%以下;210V 的电容可 100%额定电压使用。另外,25V 的电容在 85以上使用时,要降低使用电压,105时工作电压为额定电压的 80%;95时工作电压为额定电压的 90%。
