1、无源滤波元器件-电容的介绍和深入认识无源滤波元器件-电容的介绍和深入认识 无源滤波元器件-电容的介绍和深入认识关键词:锂电容、铝电容、陶瓷电容、滤波、ESR、ESL、可靠性摘 要:无源滤波元器件中,电容是一个很重要的基本元器件,但应用中 由于对电容的认识不深,存在一些不正确的使用而造成问题。本 文主要针对我司常用的三类电容(铝电容、铝电容和陶瓷电容), 从电容结构、制造工艺入手,结合滤波模型关注的参数性能进行 深入的剖析,最后引出如何正确可靠应用电容。结构上采取每类 电容一大章,每一章三小节分析:第一小节简单介绍电容的结构 和生产加工工艺流程;第二小节为电容主要性能参数的变化特点, 涉及到如何应用等方面;第三小节介绍电容使用中的物理可靠性 问题需要关注的地方。同时附录还对三类电容在参数、特性及应 用上做了深入的比较。缩略语清单:缩略语英文全名中文解释SSNSimultaneous Switching Noise同步开关噪声MLCCMultiple Layer Ceramic Capacitor叠层陶瓷片状电容DFDissipation Factor损耗因子ESREquivalent S
2、eries Resistor等效串联电阻前言:对于器件自身产生的SSN噪声(同步开关噪声),主要是利用 电容的对交流信号呈现低阻的特性来滤除”的(噪声是不能被滤除掉的, 只是被低阻导至地平面,使电源和地平面处于同一电位),即根据目标阻 抗的概念,通过在电源两端并联各种规格的电容,从而实现在器件端往电 源两端看,电源内阻在要求频段范围内低于目标阻抗 32 ;而要滤除电源自 身(如开关电源噪声)或外界耦合过来的噪声,单纯的电容低阻滤波并不 能很好的达到目的(因为单纯的并联电容只是一个简单的单极点滤波器) 18,这时就要考虑其他手段,如串上电感或磁珠等对噪音呈现阻挡特性的 器件,如PI滤波、EMI滤波电路,或使用有源滤波电路(如运放或后级线 性电压调整器电路)等。不管采用什么样的实现手段,电容作为一个基本 元素,只有对它的阻抗频率特性有深入的了解认识,才是设计好电源滤波 电路的第一步。限于篇幅,本文介绍的电容主要基于目前公司已有编码、单板电源电 路应用较多的器件:电解电容(插装液态铝箔电解电容 /贴片固体锂电解电 容)、陶瓷电容(MLCC)。对于其他电容如薄膜电容或其它结构的电容, 如插装锂
3、电解电容等,则不作介绍,在描述上,为了方便起见,除非特别 指明,铝电容指我司的通用插装铝箔电解电容;锂电容指常规贴片固体能 电解电容;陶瓷电容指叠层陶瓷片状电容(MLCC)。I 铝电解电容除了少数的固体铝电解电容外,通常所说的铝电容是在高纯铝箔经过 电化学扩面刻蚀和阳极氧化形成电介质绝缘层后制成的液体电解质电容 器,其绝缘介质厚度为几百埃到几千埃(埃 -10,0m),是目前大量应用电 容中容量和工作电压做得最高的极性电容器。一般认为铝电容的可靠性不高,如低温性能不好、ESR较大、不适合于中高频场合、容易干涸造成使 用寿命有限、难以片状化、插装引脚积累灰尘带静电并造成短路等等,但 随着工艺水平的提高,在某些特定应用场合下,使用铝电解电容在性能上 可以满足要求,而且成本和可靠性方面上还要优于其它电容,如在承受大 的上电冲击电流的低阻抗电路中,铝电容比锂电容要可靠。下面分3个小节介绍:第一小节简单介绍铝电容的结构和生产加工工艺 流程;第二小节为铝电容主要性能参数的变化特点,涉及到如何应用等方 面;第三小节介绍铝电容使用中的物理可靠性问题需要关注的地方。这里 的铝电容指的是通用插装铝箔液态电解
4、电容,关于滤波性能更为优越的贴 片固体铝电解电容应用建议,请参考贴片铝电容替代锂电容可行性分析 报告。1.1 铝电解电容的结构和主要加工环节通常所指的铝电容都是指由一个铝箔卷绕结构的芯子,浸渍了液态电 解质(注意区分电介质和电解质),引出两个端极并包封在密封金属外壳 里。从外观上看,芯子与纸介电容器的芯子类似,但其结构不同,它由一 个阳极箔,浸透电解质的分隔纸和阴极箔层叠卷成,箔通常是高纯度的铝 箔,为了增加与电解质接触的表面积,在光滑的铝箔表面上用腐蚀方法刻 蚀了许多微小的条状沟道。表面看来容量似乎是由两个箔极之间决定的, 实际上容量是由阳极箔与电解质之间来决定的,正极平面层是阳极箔;电 介质是阳极箔表面上绝缘的铝氧化膜;真正的负极平面应是导电的液态电 解质,而阴极箔仅仅是起到连接电解质和端头引线的作用。图 1-1为一个铝 电容的典型结构图:U- Sleee 套筒- Can铝外壳Element 芯子Lead Wire引线铝型引出片Aluminum TabRubber Seal橡胶塞引统Lead Wire铝垫引出片 Ajuminum Tab 分隔纸/电解质 Separalcr Pape
5、r/ Electrolyt Qalhode Foil阴极箔Anode Foil阳极箔图1-1:铝电容的典型结构图F面简单介绍一下铝电容生产的主要加工环节:a) 刻蚀阳极和阴极箔通常为高纯度的薄铝箔(0.020.1mm厚),为了增加容 量,需要增大箔的有效表面积,利用腐蚀的办法对与电解质接触的铝箔表 面进行刻蚀(成千上万微小条状)。对于低压电容,表面面积可以通过刻 蚀增大100吾,对高压则一般为2025倍,即高压电容比低压电容的腐蚀系 数要小,这是由于高压的氧化膜较厚,部分掩盖了腐蚀后的微观起伏,降 低了有效表面积的缘故。b) 形成阳极箔表面附着电容的电介质,这个电介质是一层薄薄的铝氧化物 (AI2O3),它是通过电化学方法在阳极箔表面通过“形成 Forming”的工 艺过程生成。氧化铝的厚度与形成电压有关(1.41.5nm/V),通常形成 电压与工作电压有一个比例系数,铝电容的比例系数较小,为 1.22 (固 体能电容为35),因此,如果有一个450V额定电压的铝电容,若比例系 数为1.4,则形成电压为450X 1.4=600V,这样其氧化膜的厚度大概为1.5nm 600 = 900n
6、m,这个厚度不到人头发直径的百分之一。形成工艺减小了箔的有效表面积。因为微带状沟道会被氧化物覆盖,沟道 刻蚀类型可以通过选择箔和刻蚀过程来调整。这样,低压阳极有精细的沟道类型和薄的氧化物,而高压阳极有粗糙的沟道类型和厚的氧化膜,阴极 箔不用进行形成,所以它还保持大的表面面积和深度刻蚀样貌。c) 切片铝箔以一卷成4050cm宽的条状,在经过刻蚀和形成工艺后,再根据 最终电容高度规格要求切成所需的宽度。d) 芯包卷绕铝箔切片后,在卷绕机上按一层隔离纸、阳极箔、另一层隔离纸、阴 极箔合成并卷绕成柱状芯子结构,并在外面在卷上一个带状的压敏条来防 止芯子散开。分隔纸作为阳极箔和阴极箔之间的衬垫层,既可以用以防止 两电极箔接触而短路,同时作为吸附和蓄存液态工作电解质的载体。在芯包卷绕前或卷绕过程中,铝垫引出片钟接到两个电极箔上,以方 便后面引出到电容的端极。最好的钟接方法是采用微处理器控制定位的冷 压焊接,以保证这过程中芯子的寄生电感小于 2nH,较古老的钟接方法是 通过穿透铝箔,折叠起来的方式,冷压焊接降低了短路失效的可能性,而 且在高纹波电流应用下有较好的特性,而旧的钟接方式在充放电应用场合
7、下常会使个别连接点断裂失效。e) 连接引出端铝垫引出片的扩展就是电容的引出端极。对于轴向引线结构的电容, 阴极垫在密封前与金属外壳焊接在一起。f) 注入液态电解质在芯子里注满了工作电解液让分隔纸充分吸收并渗透至毛细的刻蚀管 道中。注入过程是将芯子浸渍在电解液中并进行加热(或不加热)的真空-强压循环处理,对于小容量电容,仅仅只是浸渍吸收就可以。电解液由 不同化学成分混合而成,根据不同的电压和应用环境温度范围,其组成成 分也不同。水在电解液成分中占据一个主要角色,它增加了电解液可导性 从而减小了电容的ESR,但同时降低了沸点影响了在高温下的性能,降低 了贮藏时间。当漏电流流过,水分子分解成氢气和氧气,氧气在漏电流处 与阳极箔金属生成新的氧化膜(自愈),氢气则通过电容的橡胶塞逸出。 因此为了维持氧化膜的自愈特性,是需要有一定比例成分的水。g) 密封电容芯子密封在金属外壳罐里,大多数金属外壳为铝。为了释放产生 的氢气,并不是绝对的密封,当内外压力差值超过某一值时,氢气可单向 透过橡胶逸出,消除爆破的危险。总的来说,封得太密,会导致过强的压 力,太松,则会使电解液挥发干涸失效。h) 老化老化是电
8、容生产的最后一步,在这个过程中,会施加一个大于额定电 压但小于形成电压的直流电压,一般会在电容的额定温度下进行(也可能 在其它温度甚至室温下),这个过程可以修复氧化膜的缺陷,老化是筛选 早期失效的电容的一个很好手段,低的初始漏电流是有效老化的一个标志。1.2 影响滤波效果的模型参数特点认识由于寄生参数和电容材料结构自身因素,实际电容器的等效电路可以 用下面图1-2的RLC串联图来表示:阁Effect ofESLII 口一EquivalentEgR Equivalentseries inductanceseries resistance _ _ESR -* Ideal c图1-2:电容等效电路图及铝电解电容典型阻抗幅度特性 i对于铝电容的阻抗频率幅度曲线,在低频由5确定,由于电解电容容量可以做得比较大,因此铝电容广泛应用于低频滤波场合;在数十千赫到 数百千赫下,则由ESR确定,由于铝电解电容的ESR较大,其阻抗频率幅度 特性曲线一般为U形,而不像瓷片电容由于ESR小,在谐振频率点处会有一 个明显的下尖而呈现的V形;而在兆赫下,由切,L确定,普通的铝电容其ESL 是较大的,这大大限制了在高
9、频下的应用。因止匕ESR值较高和ESL较大限制 了铝电解电容在高频场合下的应用。下面针对铝电容等效电路里的各项参数(C、ESM口 ESL)来分析频率 阻抗特性,从而了解其在电源滤波电路中的应用。(关于铝电容的 阻抗频 率特性测试,请参考附件31)1.2.1电容量容量是选择应用电容首要考虑的第一个因素。目前,铝电解电容的电 容量范围业界可做到0.1uF3F (公司编码的范围为:0.47uF6.8mF), 工作电压从5V500V。电容每一量级一般分6个数值:1.0、1.5、2.2、3.3、 4.7、6.8。应用于滤波场合时,从阻抗角度看(Z = %C),电容容量越大,阻抗越 小,因此容量越大滤波效果越好;但由于电容的非理想性,其自身构造带 来的寄生参数限制(见上图),使得应用频率一般不应超过自身谐振频率f = 1点;谐振频率点f 2m记,不仅与ESL有关,还与电容C有关,从铝电容的 ESL和C的分布范围,可以推算谐振频率从 11kHz (Lmax = 30nH; Cmax= 6.8mF)至U2.5MHz (Lmin = 10nH; Cmin=0.47uF ),实际上从上面的阻 抗幅度频率特性图看到,由于铝电容的ESR比较大,呈现“ U ”型特性,这 样并不能很好的定位那一点是谐振频率,实际应用时,这一平坦的区域同 样有助于滤波(当然前提是小于目标阻抗),因此完全按照谐振频率点来 进行限制是不妥当的;谐振点可作为一个参考,实际应用的截止频率肯定 要比该点高(一般不超过几百kHz,由ESR/ESL和目标阻抗共同决定)。滤 波应用时,小容量铝电容(10uF电容)不具有优势,寄生参数大,而且容 量小,在高温时寿命短,主要还是大容量的电解电容应用于低频的滤波场 合。电容量随着温度变化而变化:通常,从 25c到高温极限,容量增加不 超过10%;对于40C极限的电容,在
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