为什么以及如何使用聚合物铝电容器为 CPU、ASIC、FPGA 和 USB 有效供电
作者：Jeff Shepard
在设计 USB 电源以及电子系统和子系统（包括 IC、特定应用 IC (ASIC)、中央处理器 (CPU) 和现场可编程门阵列 (FPGA)）的功率输送解决方案时，设计人员会不断寻找方法来提高效率，同时确保以紧凑的外形尺寸在宽温度范围内提供稳定、无噪声的功率。他们需要提高效率、稳定性和可靠性，降低成本，并缩小解决方案的外形尺寸。同时，还必须满足应用中不断增多的功率性能要求，包括平滑处理电源电路的输入和输出电流、支持峰值功率需求以及抑制电压波动。
为了应对这些挑战，设计人员需要具有低等效串联电阻 (ESR) 和高频低阻抗的电容器，以支持纹波吸收并确保平滑的快速瞬态响应。此外，运营可靠性和供应链可靠性也很重要。
纵观这些问题和选项，聚合物铝电解电容器是一个很好的解决方案，具有较高电气性能和稳定性，噪声低、可靠性佳、外形尺寸紧凑，并且由于不使用冲突材料，供应链风险低。它们具备低 ESR（通常以毫欧 (mΩ) 为单位测量）和高频（高达 500 千赫兹 (kHz)）低阻抗，并且提供出色的噪声抑制、纹波吸收和电源线去耦性能。此外，在高工作频率和温度下也具有电容稳定性。
本文概述了聚合物铝电解电容器的工作原理和制造方法。文中将这些电容器的性能与替代性电容器技术进行比较，接着探讨聚合物铝电解电容器的具体应用。最后则回顾了 Murata 的代表性器件，以及设计人员使用这些电容器时需要注意的应用问题。
聚合物铝电容器是如何制造的？
聚合物铝电容器包括蚀刻的铝箔阳极、铝氧化膜电介质以及导电聚合物阴极（图 1）。根据具体器件的不同，电容范围为 6.8 至 470 微法 (μF)，电压范围为 2 至 25 伏直流电 (Vdc)。
图 1：聚合物铝电解电容器模型展示了蚀刻铝箔阳极（左）、铝氧化膜电介质（中）和导电聚合物阴极（右）之间的关系。（图片来源：Murata）
在 Murata 的 ECAS 系列器件中，蚀刻的铝箔直接贴在正电极上，而导电聚合物则用碳糊覆盖，并使用导电银浆连接到负电极上（图 2）。整个结构以模压环氧树脂包覆，以提供机械强度和保护环境。由此形成扁平的无卤素表面贴装封装，湿气敏感性等级 (MSL) 为 3 级。铝箔和氧化膜的多层（层压）结构使得 Murata 的 ECAS 系列有别于典型的铝电解电容器，如使用聚合物或电解质作为阴极的罐式缠绕结构。
图 2：ECAS 系列聚合物铝电容器器件结构展示了导电聚合物（粉红色）、蚀刻铝箔（白色）、铝 (Al) 氧化膜（蓝色）、连接导电聚合物和负极的碳糊（棕色）和银浆（深灰色），以及环氧树脂外壳。（图片来源：Murata）
层压结构和材料选择组合使 ECAS 电容器具有电解电容器的最低 ESR。ECAS 系列聚合物铝电容器的电容可与聚合物钽 (Ta) 电容器、钽二氧化锰 (MnO2) 电容器和多层陶瓷电容器 (MLCC) 媲美，其 ESR 则与 MLCC 相当，低于聚合物或 MnO2 钽电容器（图 3）。
图 3：与 MLCC 相比，聚合物铝电容器（ECAS 系列）具有更高的电容值和相当的 ESR，另外其 ESR 也较低，并且电容与钽和罐式铝电容器相当。（图片来源：Murata）
对于成本敏感的应用，铝电解电容器和钽 (MnO2) 电容器可以提供相对便宜的解决方案。传统的铝或钽电解电容器使用电解质或二氧化锰 (MnO2) 作为阴极。ECAS 电容器使用导电聚合物阴极，因而 ESR 更低、热特性更稳定、安全性提高、使用寿命更长（图 4）。MLCC 虽然相对便宜，但却存在其他电容器技术所没有的直流偏置特性。
图 4：聚合物铝电容器提供的基本特性组合包括低 ESR、直流偏置特性、温度特性、使用寿命和可靠性。（图片来源：Murata）
直流偏置特性是指 MLCC 在外加 DC 电压下的电容变化。随着施加的 DC 电压增加，MLCC 的有效电容会减少。当 DC 偏置增加到几伏时，MLCC 的标称电容值会损失 40% 至 80%，因此不适合许多电源管理应用。
聚合物铝电解电容器的性能特点使其非常适用于电源管理应用，包括 CPU、ASIC、FPGA 和其他大型 IC 的电源，并支持 USB 电源系统的峰值功率需求（图 5）。
图 5：例 1（上）：目标应用使用的电源管理电路中的聚合物铝电容器，用于消除纹波以及平滑并稳定电压源。例 2（下）：聚合物铝电容器可以支持 USB 电源系统的峰值功率需求。（图片来源：Murata）
聚合物铝电容器具有低 ESR、低阻抗和稳定的电容，非常适用于平滑和消除纹波等应用，特别是在电流负载波动较大的电源线上。在这些应用中，聚合物铝电容器可以与 MLCC 组合使用。
聚合物铝电容器提供电源管理功能，而 MLCC 则过滤 IC 电源引脚的高频噪声。聚合物铝电容器还支持 USB 电源系统的峰值功率需求，同时保持较小的印刷电路板基底面。
聚合物铝电容器
根据额定值，ECAS 聚合物铝电容器有四种 EIA 7343 公制外壳尺寸：D3：（7.3 mm x 4.3 mm x 1.4 mm 高）；D4（7.3 mm x 4.3 mm x 1.9 mm 高）；D6（7.3 mm x 4.3 mm x 2.8 mm 高）；以及 D9（7.3 mm x 4.3 mm x 4.2 mm 高）。目前提供 DigiReel、切带和卷带等形式（图 6）。其他规格包括：
• 电容范围：6.8 μF 至 470 μF
• 电容公差：±20% 和 +10%/-35%
• 额定电压：2 Vdc 至 16 Vdc
• ESR：6 mΩ 至 70 mΩ
• 工作温度：-40°C 至 +105°C
图 6：ECAS 聚合物铝电容器有 DigiReel、切带和卷带等形式，外壳尺寸有 D3、D4、D6 和 D9。（图片来源：Murata）
Murata 最近扩展了 ECAS 系列，包括 330 μF (±20%) 6.3 V 器件，如 ECASD60J337M009KA0，其 ESR 为 9 mΩ，外壳尺寸为 D4。电容值高有助于改善纹波平滑，所需的电容器数量更少，从而缩小整个解决方案的尺寸。
例如，当用于过滤切换频率 300 kHz 的 DC-DC 转换器的输出时，ECASD40D337M006KA0 330 μF (±20%)、ESR 为 6 mΩ 的 2 V 聚合物铝电容器将产生 13 mVp-p 纹波电压，相比之下，ESR 为 15 mΩ 的铝聚合物电容器产生的纹波电压为 36 mVp-p，或者 ESR 为 900 mΩ 的铝电解电容器产生的纹波电压为 950 mVp-p。
ECAS 电容器的其他示例包括 ECASD40D157M009K00，额定值为 150 μF (±20%) 和 2 Vdc，ESR 为 9 mΩ，采用 D4 外壳，以及 ECASD41C686M040KH0，额定值为 68 μF (±20%) 和 16 Vdc，ESR 为 40 mΩ，也采用 D4 外壳。ECAS 聚合物铝电容器的特性包括：
• 高电容与低 ESR 相结合
• 在施加 DC 电压/温度/高频率的情况下具有稳定的电容值
• 出色的纹波吸收、平滑和瞬态响应
• 无需电压降额
• 消除陶瓷电容器产生的声学噪声（压电效应）
• 产品上注明极性条（正）
• 表面贴装结构
• 符合 RoHS 规范
• 无卤素
• MSL 3 封装
设计考虑因素
ECAS 聚合物铝电解电容器针对电源管理应用进行了优化；不建议将其用于时间常数电路、耦合电路或对漏电流敏感的电路。ECAS 电容器并非针对串联进行设计。其他设计考虑因素包括：
• 极性：聚合物铝电解电容器是有极性的，必须以正确的极性连接。即使瞬时施加反向电压也会损坏氧化膜，损害电容器的性能。
• 工作电压：当这些电容器用于 AC 或纹波电流电路时，峰-峰电压 (Vp-p) 或偏移-峰电压 (Vo-p)（包括 DC 偏置），必须保持在额定电压范围内。在可能出现瞬态电压的开关电路中，额定电压必须足够高，以包括瞬态峰值。
• 涌流：如果预计涌流超过 20 安培 (A)，则需要额外的涌流限制，将峰值浪涌保持在 20 A。
纹波电流：ECAS 系列的每个型号都有禁止超过的额定纹波电流。过大的纹波电流会产生热量，可能损坏电容器。
工作温度：
• 在确定电容器的温度额定值时，设计人员需要考虑到应用的工作温度，包括设备内的温度分布和任何季节性温度因素。
• 电容器的表面温度必须保持在工作温度范围内，包括由特定应用因素（如纹波电流）引起的任何电容器自热。
总结
对于功率输送系统的设计人员来说，要实现能效、性能、成本、稳定性、可靠性和外形尺寸的最佳平衡极其困难，特别是在为大型 IC（如 MCU、ASIC 和 FPGA）供电时，以及在支持 USB 应用的峰值功率需求时。电源信号链的主要部件之一是电容器，这些器件有许多特征有助于满足设计人员的要求 — 如果使用正确技术的话。
如上所示，聚合物铝电容器帮助设计人员找到了恰当的平衡。它们的结构确保在频率高达 500 kHz 时的低阻抗、低 ESR、良好的纹波平滑，以及良好的噪声抑制和电源线去耦。此外，它们不受 DC 偏置的限制，而且可以自愈，提高了运行的可靠性。由于不使用冲突材料，供应链也更可靠。总之，聚合物铝电容器为设计人员提供了更高性能的选择，以应对各种电源管理系统的要求。
