【正文】 無源濾波元器件－電容的介紹和深入認(rèn)識 無源濾波元器件－電容的介紹和深入認(rèn)識無源濾波元器件－電容的介紹和深入認(rèn)識關(guān)鍵詞：鉭電容、鋁電容、陶瓷電容、濾波、ESR、ESL、可靠性摘 要：無源濾波元器件中，電容是一個很重要的基本元器件，但應(yīng)用中由于對電容的認(rèn)識不深，存在一些不正確的使用而造成問題。本文主要針對我司常用的三類電容（鋁電容、鉭電容和陶瓷電容），從電容結(jié)構(gòu)、制造工藝入手，結(jié)合濾波模型關(guān)注的參數(shù)性能進行深入的剖析，最后引出如何正確可靠應(yīng)用電容。結(jié)構(gòu)上采取每類電容一大章，每一章三小節(jié)分析：第一小節(jié)簡單介紹電容的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工工藝流程；第二小節(jié)為電容主要性能參數(shù)的變化特點，涉及到如何應(yīng)用等方面；第三小節(jié)介紹電容使用中的物理可靠性問題需要關(guān)注的地方。同時附錄還對三類電容在參數(shù)、特性及應(yīng)用上做了深入的比較?？s略語清單：縮略語英文全名中文解釋SSNSimultaneous Switching Noise同步開關(guān)噪聲MLCCMultiple Layer Ceramic Capacitor疊層陶瓷片狀電容DFDissipation Factor損耗因子ESREquivalent Series Resistor等效串聯(lián)電阻前言：對于器件自身產(chǎn)生的SSN噪聲（同步開關(guān)噪聲），主要是利用電容的對交流信號呈現(xiàn)低阻的特性來”濾除”的（噪聲是不能被濾除掉的，只是被低阻導(dǎo)至地平面，使電源和地平面處于同一電位），即根據(jù)目標(biāo)阻抗的概念，通過在電源兩端并聯(lián)各種規(guī)格的電容，從而實現(xiàn)在器件端往電源兩端看，電源內(nèi)阻在要求頻段范圍內(nèi)低于目標(biāo)阻抗[32 ]；而要濾除電源自身（如開關(guān)電源噪聲）或外界耦合過來的噪聲，單純的電容低阻濾波并不能很好的達到目的（因為單純的并聯(lián)電容只是一個簡單的單極點濾波器）[18]，這時就要考慮其他手段，如串上電感或磁珠等對噪音呈現(xiàn)阻擋特性的器件，如PI濾波、EMI濾波電路，或使用有源濾波電路（如運放或后級線性電壓調(diào)整器電路）等。不管采用什么樣的實現(xiàn)手段，電容作為一個基本元素，只有對它的阻抗頻率特性有深入的了解認(rèn)識，才是設(shè)計好電源濾波電路的第一步。限于篇幅，本文介紹的電容主要基于目前公司已有編碼、單板電源電路應(yīng)用較多的器件：電解電容（插裝液態(tài)鋁箔電解電容/貼片固體鉭電解電容）、陶瓷電容（MLCC）。對于其他電容如薄膜電容或其它結(jié)構(gòu)的電容，如插裝鉭電解電容等，則不作介紹，在描述上，為了方便起見，除非特別指明，鋁電容指我司的通用插裝鋁箔電解電容；鉭電容指常規(guī)貼片固體鉭電解電容；陶瓷電容指疊層陶瓷片狀電容(MLCC)。1 鋁電解電容除了少數(shù)的固體鋁電解電容外，通常所說的鋁電容是在高純鋁箔經(jīng)過電化學(xué)擴面刻蝕和陽極氧化形成電介質(zhì)絕緣層后制成的液體電解質(zhì)電容器，其絕緣介質(zhì)厚度為幾百埃到幾千埃（埃m），是目前大量應(yīng)用電容中容量和工作電壓做得最高的極性電容器。一般認(rèn)為鋁電容的可靠性不高 ，如低溫性能不好、ESR較大、不適合于中高頻場合、容易干涸造成使用壽命有限、難以片狀化、插裝引腳積累灰塵帶靜電并造成短路等等，但隨著工藝水平的提高，在某些特定應(yīng)用場合下，使用鋁電解電容在性能上可以滿足要求，而且成本和可靠性方面上還要優(yōu)于其它電容，如在承受大的上電沖擊電流的低阻抗電路中，鋁電容比鉭電容要可靠。下面分3個小節(jié)介紹：第一小節(jié)簡單介紹鋁電容的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工工藝流程；第二小節(jié)為鋁電容主要性能參數(shù)的變化特點，涉及到如何應(yīng)用等方面；第三小節(jié)介紹鋁電容使用中的物理可靠性問題需要關(guān)注的地方。這里的鋁電容指的是通用插裝鋁箔液態(tài)電解電容，關(guān)于濾波性能更為優(yōu)越的貼片固體鋁電解電容應(yīng)用建議，請參考《貼片鋁電容替代鉭電容可行性分析報告》。 鋁電解電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)通常所指的鋁電容都是指由一個鋁箔卷繞結(jié)構(gòu)的芯子，浸漬了液態(tài)電解質(zhì)（注意區(qū)分電介質(zhì)和電解質(zhì)），引出兩個端極并包封在密封金屬外殼里。從外觀上看，芯子與紙介電容器的芯子類似，但其結(jié)構(gòu)不同，它由一個陽極箔，浸透電解質(zhì)的分隔紙和陰極箔層疊卷成，箔通常是高純度的鋁箔，為了增加與電解質(zhì)接觸的表面積，在光滑的鋁箔表面上用腐蝕方法刻蝕了許多微小的條狀溝道。表面看來容量似乎是由兩個箔極之間決定的，實際上容量是由陽極箔與電解質(zhì)之間來決定的，正極平面層是陽極箔；電介質(zhì)是陽極箔表面上絕緣的鋁氧化膜；真正的負(fù)極平面應(yīng)是導(dǎo)電的液態(tài)電解質(zhì)，而陰極箔僅僅是起到連接電解質(zhì)和端頭引線的作用。圖11為一個鋁電容的典型結(jié)構(gòu)圖： 圖11：鋁電容的典型結(jié)構(gòu)圖下面簡單介紹一下鋁電容生產(chǎn)的主要加工環(huán)節(jié)：a） 刻蝕陽極和陰極箔通常為高純度的薄鋁箔（～），為了增加容量，需要增大箔的有效表面積，利用腐蝕的辦法對與電解質(zhì)接觸的鋁箔表面進行刻蝕（成千上萬微小條狀）。對于低壓電容，表面面積可以通過刻蝕增大100倍，對高壓則一般為20～25倍，即高壓電容比低壓電容的腐蝕系數(shù)要小，這是由于高壓的氧化膜較厚，部分掩蓋了腐蝕后的微觀起伏，降低了有效表面積的緣故。b） 形成陽極箔表面附著電容的電介質(zhì)，這個電介質(zhì)是一層薄薄的鋁氧化物（Al2O3）， 它是通過電化學(xué)方法在陽極箔表面通過“形成Forming”的工藝過程生成。氧化鋁的厚度與形成電壓有關(guān)（～），通常形成電壓與工作電壓有一個比例系數(shù)，鋁電容的比例系數(shù)較小，～2（固體鉭電容為3～5），因此，如果有一個450V額定電壓的鋁電容，則形成電壓為450＝600V，600 = 900nm，這個厚度不到人頭發(fā)直徑的百分之一。形成工藝減小了箔的有效表面積。因為微帶狀溝道會被氧化物覆蓋，溝道刻蝕類型可以通過選擇箔和刻蝕過程來調(diào)整 。這樣，低壓陽極有精細(xì)的溝道類型和薄的氧化物，而高壓陽極有粗糙的溝道類型和厚的氧化膜，陰極箔不用進行形成，所以它還保持大的表面面積和深度刻蝕樣貌。c） 切片鋁箔以一卷成40～50cm寬的條狀，在經(jīng)過刻蝕和形成工藝后，再根據(jù)最終電容高度規(guī)格要求切成所需的寬度。d） 芯包卷繞鋁箔切片后，在卷繞機上按一層隔離紙、陽極箔、另一層隔離紙、陰極箔合成并卷繞成柱狀芯子結(jié)構(gòu)，并在外面在卷上一個帶狀的壓敏條來防止芯子散開。分隔紙作為陽極箔和陰極箔之間的襯墊層，既可以用以防止兩電極箔接觸而短路，同時作為吸附和蓄存液態(tài)工作電解質(zhì)的載體。在芯包卷繞前或卷繞過程中，鋁墊引出片鉚接到兩個電極箔上，以方便后面引出到電容的端極 。最好的鉚接方法是采用微處理器控制定位的冷壓焊接，以保證這過程中芯子的寄生電感小于2nH，較古老的鉚接方法是通過穿透鋁箔，折疊起來的方式，冷壓焊接降低了短路失效的可能性，而且在高紋波電流應(yīng)用下有較好的特性，而舊的鉚接方式在充放電應(yīng)用場合下常會使個別連接點斷裂失效。e） 連接引出端鋁墊引出片的擴展就是電容的引出端極。對于軸向引線結(jié)構(gòu)的電容，陰極墊在密封前與金屬外殼焊接在一起。f） 注入液態(tài)電解質(zhì)在芯子里注滿了工作電解液讓分隔紙充分吸收并滲透至毛細(xì)的刻蝕管道中。注入過程是將芯子浸漬在電解液中并進行加熱（或不加熱）的真空－強壓循環(huán)處理，對于小容量電容，僅僅只是浸漬吸收就可以。電解液由不同化學(xué)成分混合而成，根據(jù)不同的電壓和應(yīng)用環(huán)境溫度范圍，其組成成分也不同。水在電解液成分中占據(jù)一個主要角色，它增加了電解液可導(dǎo)性從而減小了電容的ESR，但同時降低了沸點影響了在高溫下的性能，降低了貯藏時間。當(dāng)漏電流流過，水分子分解成氫氣和氧氣，氧氣在漏電流處與陽極箔金屬生成新的氧化膜（自愈），氫氣則通過電容的橡膠塞逸出。因此為了維持氧化膜的自愈特性，是需要有一定比例成分的水。 g） 密封電容芯子密封在金屬外殼罐里，大多數(shù)金屬外殼為鋁。為了釋放產(chǎn)生的氫氣，并不是絕對的密封，當(dāng)內(nèi)外壓力差值超過某一值時，氫氣可單向透過橡膠逸出，消除爆破的危險?？偟膩碚f，封得太密，會導(dǎo)致過強的壓力，太松，則會使電解液揮發(fā)干涸失效。h） 老化老化是電容生產(chǎn)的最后一步，在這個過程中，會施加一個大于額定電壓但小于形成電壓的直流電壓，一般會在電容的額定溫度下進行（也可能在其它溫度甚至室溫下），這個過程可以修復(fù)氧化膜的缺陷，老化是篩選早期失效的電容的一個很好手段，低的初始漏電流是有效老化的一個標(biāo)志。 影響濾波效果的模型參數(shù)特點認(rèn)識由于寄生參數(shù)和電容材料結(jié)構(gòu)自身因素，實際電容器的等效電路可以用下面圖12的RLC串聯(lián)圖來表示：圖12：電容等效電路圖及鋁電解電容典型阻抗幅度特性對于鋁電容的阻抗頻率幅度曲線，在低頻由確定，由于電解電容容量可以做得比較大，因此鋁電容廣泛應(yīng)用于低頻濾波場合；在數(shù)十千赫到數(shù)百千赫下，則由ESR確定，由于鋁電解電容的ESR較大，其阻抗頻率幅度特性曲線一般為U形，而不像瓷片電容由于ESR小，在諧振頻率點處會有一個明顯的下尖而呈現(xiàn)的V形；而在兆赫下，由確定，普通的鋁電容其ESL是較大的，這大大限制了在高頻下的應(yīng)用。因此ESR值較高和ESL較大限制了鋁電解電容在高頻場合下的應(yīng)用。 下面針對鋁電容等效電路里的各項參數(shù)（C、ESR和ESL）來分析頻率阻抗特性，從而了解其在電源濾波電路中的應(yīng)用。（關(guān)于鋁電容的阻抗頻率特性測試，請參考附件[31]） 電容量容量是選擇應(yīng)用電容首要考慮的第一個因素。目前，～3F （公司編碼的范圍為：～），工作電壓從5V～500V。電容每一量級一般分6個數(shù)值：、、 。應(yīng)用于濾波場合時，從阻抗角度看（），電容容量越大，阻抗越小，因此容量越大濾波效果越好；但由于電容的非理想性，其自身構(gòu)造帶來的寄生參數(shù)限制（見上圖），使得應(yīng)用頻率一般不應(yīng)超過自身諧振頻率點；諧振頻率點，不僅與ESL有關(guān)，還與電容C有關(guān)，從鋁電容的ESL和C的分布范圍，可以推算諧振頻率從11kHz（Lmax＝30nH；Cmax＝）（Lmin＝10nH；Cmin＝ ），實際上從上面的阻抗幅度頻率特性圖看到，由于鋁電容的ESR比較大，呈現(xiàn)“U“型特性，這樣并不能很好的定位那一點是諧振頻率，實際應(yīng)用時，這一平坦的區(qū)域同樣有助于濾波（當(dāng)然前提是小于目標(biāo)阻抗），因此完全按照諧振頻率點來進行限制是不妥當(dāng)?shù)?；諧振點可作為一個參考，實際應(yīng)用的截止頻率肯定要比該點高（一般不超過幾百kHz，由ESR/ESL和目標(biāo)阻抗共同決定）。濾波應(yīng)用時，小容量鋁電容（10uF電容）不具有優(yōu)勢，寄生參數(shù)大，而且容量小，在高溫時壽命短，主要還是大容量的電解電容應(yīng)用于低頻的濾波場合。電容量隨著溫度變化而變化：通常，從25℃到高溫極限，容量增加不超過10%；對于－40℃極限的電容，在－40℃時，低壓電容的容量會下降20％，高壓電容則下降有40％之多；在－20℃到－40℃溫度區(qū)間時，容量下降最快；對于－55℃極限的電容，在－40℃時，下降通常不超過10％；在－55℃時，不超過20％。由于ESR、ESL寄生參數(shù)影響，鋁電容的電容量隨著頻率的升高而減小。 ESR值通用鋁電解電容，其ESR值一般在幾十毫歐～ 歐(100kHz/25℃）。從業(yè)界資料上了解到通用鋁電解電容的ESR范圍在10mΩ～10Ω。對于Low ESR鋁電解電容，其ESR值在手冊中有給出，一般幾十mΩ（100kHz/20℃）。下面分析一下鋁電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)及與ESR的關(guān)系，ESR值由三個部分所組成，即：1） 氧化膜介質(zhì)損耗所代表的等效串聯(lián)電阻（r介）2 ) 電解質(zhì)所代表的等效串聯(lián)電阻（r解）3） 板極歐姆電阻、導(dǎo)電層的歐姆電阻，以及其間的接觸電阻（r金 ）ESR＝r介＋r解＋r金＝，這里的，即電容器的損耗角正切值或損耗因子(Dissipation Factor)DF，定義為DF＝＝。 電解電容用于脈動電路時，衡量其交流特性的參數(shù)指標(biāo)用電容量及，有時則用阻抗和ESR，一般來說，廠家喜歡用指標(biāo)，因為其便于考核產(chǎn)品的質(zhì)量；而對于應(yīng)用來說，ESR則更為容易理解。如果工藝上不出差錯而且工作頻率較低時，r金是可以忽略掉的（當(dāng)工作頻率較高時，出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，這時r金影響就較大）；另外，氧化膜介質(zhì)的值在電解電容器的工作頻率范圍內(nèi)，可近似地認(rèn)為是一個常值，與頻率無關(guān)，所以最后可以簡化為 =＋。r解又叫做浸漬紙電阻，指以易浸潤的分隔紙（襯墊紙）或其它多孔性纖維材料浸透了工作電解液后的電阻，有時也稱為襯墊物電阻，r解＝，－襯墊材料的滲透系數(shù)，與其多孔性結(jié)構(gòu)有關(guān)；－電解液的電阻率（）；d－襯墊材料的厚度（cm）；A－陽極箔的外觀幾何尺寸表面積（非襯墊材料的）；A乘以2是因為箔的兩面均起作用。減小可以減小r解，但不能過分追求減小，因為太小會帶來可靠性問題；而且隨溫度增加而減小，在高溫下如85℃時，這時差別也不大。a） 電容容值和額定電壓值：一般ESR與容值和額定電壓成反比，如相同額定電壓，容量越大，ESR越?。幌嗤萘?，額定電壓越高，ESR越小。這主要是通過r解與A的成反比關(guān)系來確定的，當(dāng)容量增大、額定電壓增高時，相應(yīng)的鋁箔尺寸面積也要增大，所以r解減小，由此可以理解相同系列，相同耐壓，同一尺寸，同一量級范圍內(nèi)的電容其ESR差別是