电容器指南

聚合物电容器的基础(后编)何为聚合物电容器?

最终更新日期:2023/09/13

在前篇中,我们对电容器的种类及本公司的ECAS系列聚合物铝电解电容器的概要进行了说明。这次,我们将通过数据对各种电容器的特性进行比较。图1是各种电容器的特性比较表。以前就有的、使用液体电解质(电解液)的铝电解电容器(罐型)和使用二氧化锰的钽电解电容器相对便宜,但它们在“频率特性”、“温度特性”、“寿命”及“可靠性”方面不如聚合物电容器。

本公司的ECAS系列多层聚合物铝电解电容器与其他聚合物类型电容器相比,具有特别出色的频率特性

电容器的特性比较
图1 电容器的特性比较

关于ESR

我们将对图1中所示的6种电容器的特性进行实际比较。评价项目统一为6.3V/100uF。(所示数据为仅为示例,请将其作为参考值)。图2显示了阻抗和ESR频率特性的比较数据。一般而言,电容器的ESR和阻抗越低,在实际电路中的平滑特性和瞬态响应特性就越好。
MLCC的ESR和阻抗都为最低,其次是多层聚合物铝电解电容器(ECAS系列),接下来是其他聚合物电容器、钽电解电容器(二氧化锰型)和铝电解电容器(液体电解质型)。MLCC中叠加了多层电介质钛酸钡和电极,在等效电路中每一层都并联连接,因此可以降低ESR。ECAS系列虽然不如MLCC,但也叠加了多层铝元件,因此也能降低ESR。其他电容器基本上只有一个电容器元件,因此往往具有较高的ESR。

阻抗和ESR的频率特性
图2 阻抗和ESR的频率特性

接下来,图3显示了因纹波电流而产生的电容器发热特性。温度上升越平缓和稳定,电容器的特性越好。发热的程度取决于ESR和电容器的体积,发热过度可能会影响可靠性和寿命。
例如,比较温度上升10°C时可以流过多少电流可以发现:ESR最低的MLCC可以流过最大的纹波电流。接下来依次是多层聚合物铝电解电容器(ECAS系列)、其他聚合物电容器、铝电解电容器(液体电解质型)和钽电解电容器(二氧化锰型)。一般而言,MLCC的发热量非常少,因此很少有将发热量作为规格保证的情况,而包括聚合物电容器在内的电解电容器无法忽视发热量的影响,因此,一般会对每种类型的发热量进行规定。

根据纹波电流看电容器的发热特性
图3 根据纹波电流看电容器的发热特性

关于MLCC的纹波电流的思索请参考以下链接。

关于温度特性

接下来,图4显示静电容量的温度特性。全固态聚合物电容器和二氧化锰型钽电解电容器的静电容量即使在温度变化时也不会发生太大变化,而一般的铝电解电容器使用的是液体电解质(电解液),因此在低温下难以产生静电容量。MLCC的温度特性也因使用的电介质类型而异,静电容量与温度有关。ECAS系列具有稳定的温度特性,因此使用时无需担心使用环境(实际使用电容器时,请将包括本身发热部分在内的电容器表面温度保持在最高使用温度105°C以下)。

静电容量的温度特性
图4 静电容量的温度特性

MLCC的温度特性请参考以下链接。

关于DC偏压特性

最后,图5显示了DC偏压特性的比较结果。包括聚合物电容器在内的电解电容器的介电常数不会因施加的电压而改变,因此静电容量即使在施加电压时也不会改变。电解电容器的优点是静电容量即使在施加额定电压时也不会改变。虽然会因所使用的电介质种类而存在差异,但MLCC确实容易因施加直流电压而引起结构失真,静电容量具有依赖于DC偏压的倾向,特别是在使用具有高介电常数的电介质时。不过,最近已经开发出了静电容量不易变化的MLCC。

各电容器的DC偏置特性
图5 各电容器的DC偏置特性

MLCC的静电容量会由于施加DC偏置而改变的规律之详细说明请点击以下链接。

总结

这里介绍的特性比较只是一小部分,但每种电容都有自己的优缺点,在实际设计电路时,除了要考虑这些特性外,还必须考虑成本、尺寸等各种因素,从而选择适合需求的电容器。

在空间足够且只需要大静电容量的情况下,可以说一般的铝电解电容器比较合适,在静电容量和ESR都比较重要的情况下,可以说聚合物电容器比较合适。如果有尺寸限制,则最好是使用通用的MLCC,如果需要耐异常电压的电容器,也可以说耐压高、能承受反向电压的MLCC比较合适。

ECAS系列具有较低的ESR和较大且稳定的静电容量,因此被广泛用于平滑CPU和FPGA等负载波动剧烈的电源线和改善瞬态响应特性。此外,由于其产品高度低于罐型铝电解电容器,因此适用于要求薄型的电子设备,并且由于其静电容量的温度特性稳定,因此也适用于户外使用的电子设备。

图6是从侧面观看典型的母板时的概略图。无源元件就这样被配置在CPU和DC-DC转换器等有源元件的周围。为了让电子设备正常工作,基本上需要满足目标阻抗。为此,要组合并配置各种类型的电容器。

各电容器的使用例
图6 各电容器的使用例

ECAS系列的主要应用

除了种类繁多的MLCC产品系列外,村田制作所还拥有可覆盖到更低频段的聚合物铝电解电容器系列能够一站式提供电源线所需的输入和输出电容器也是本公司的优势之一。今后设计电子设备时,请务必考虑使用本公司的聚合物铝电解电容器(ECAS系列)

ECAS系列的详细阵容请参考以下链接。

担当:株式会社村田制作所 化学设备商品部

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