低ESR铝电解电容器及其应用要点

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特性。其谐振点在100kHz~10MHz之

间,820μ

F的OS-CON在100kHz时,其ESR约为10mΩ,在10MHz时其ESR约为20mΩ。

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-C

ON(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100kHz~20MHz)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22μH及47μF铝电解电容并联

0.022μF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:一般铝电解电容从10μF提高到100μF,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(1

0μF)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10M

Hz以上时也并不理想,而10μF的OS-CON在100kHz 20MHz频率变化时,剩余纹波电

压最小,在1MHz时约为1mV。

若要达到10μF的OS-CON同样的效果,铝电解电容要470~1000μF以上;钽电解电容

要47μF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1~2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℃。

约是输出电流Io的通过电感L2的电流波形如图8所示。一般情况下, △I

L

20~30%,

为

若按20%计算,纹波电流△I

L

△I

L

=Io×20%=2×0.2=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

L

×ESR

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125mΩ

。

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选择OS-CON。可查资料选用SA系列的

33μF10V电容。其规格是,100kHz时ESR=80mΩ以下,最大允许纹波电流

(100kHz,8

5℃)为1120mA。

若采用高频用铝电解电容,一般需要1500~2000μF/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V

RIPPLE 与C1、C2的ESR有关。输出电阻R

OUT

与C1、C2的ESR关系为:

式中ESR

C2为C2的ESR。可根据要求V

RIPPLE

来选择C2。采用OS-CON不仅输出

电阻小