钽电容概述

winniewei 提交于 周二, 08/06/2019
钽电容概述

作者:贸泽电子Mark Patrick

在当代电子世界中有许多趋势和动态,但最常见的一个趋势是需要在狭窄空间内实现更多功能。这样的例子数不胜数,例如需要得到更多的计算/处理能力或数据存储容量,或者需要更高的功率密度水平。同样的基本趋势也适用于被动元件:以更小的体积提供更大电容量,这也是钽电容器最初诞生的重要原因之一,对其后来令人难以置信的受欢迎程度起了关键作用。

钽电容简介

钽电容器从根本上说是一种电解电容器,只是呈现出非常特殊的类型。在大多数人想到电解电容器时,他们会想到通常采用的圆柱形铝电解电容。钽电容器具有类似的内部结构,与铝电解电容具有一些共同的特性,但两者之间性能却截然不同。

钽电容器的主要优势是它们在给定的体积和重量下能够提供高容量的电容,这对现代电子系统的设计者来说是一个显著优势,因为这些电子产品设计几乎总是受到空间限制。钽电容通常也具有较低的等效串联电阻(ESR),这在功率应用中尤其有用,其中ESR可能导致不希望的损耗和降低的效率。钽电容器也能够在更高的温度下工作,这是适用于当代电子系统的另一个有用特征,如今的电子系统通常密集排列,而可用的冷却技术相对有限。

架构、材料和类型

作为电解电容元件,钽电容器具有极化,由阳极和阴极以及电解质组成。阳极由非常小的钽材料颗粒形成,将其研磨成细粉并在高温下烧结。结果,它通常形成多孔结构,具有较大的表面积,呈现出高电容值。通过精心控制的阳极氧化过程,阳极被非常薄的绝缘氧化物层覆盖。该氧化物充当阳极和导电阴极之间的电介质,由于电介质非常薄,因此可以在相对小的体积中产生高水平的电容。该氧化物也非常稳定,不受时间和不同工作频率的影响。

对于湿式钽电容器,氧化的阳极通常简单地放置在液体电解质中。对于固态钽电容器通常使用称为热解(pyrolysis)的方法来添加电解质,将阳极浸入溶液中然后烘烤以形成二氧化锰(MnO2)涂层,最终浸入石墨和银中并提供与阴极的良好连接。

钽电容器通常与具有两个引线的小型环氧涂层(epoxy-coated)组件有关,这些是钽电容器的初始类型,通常颜色鲜艳,它们的额定值和非常重要的极性信息直接印在环氧树脂上,这种独特的外形为它们赢得了绰号“钽珠”。曾经有一段时间,几乎所有电容器都是带引线的器件,其中一个主要挑战是铝电解电容比较受欢迎,但却面临表面贴装回流焊造成的温度困扰。结果是,如果需要在小型封装内实现高成本效益的高价值电容器,钽电容器自然成为最常见的选择。

应该指出的是,钽是受国际冲突矿产法规所保护的四种矿物(其它三种为钨、锡和金)之一。Mouser提供的来自所有制造商的含有这些矿物质的产品均符合相关法规,Mouser网站上也提供了详细说明。

钽电容的设计考虑因素

虽然钽电容器具有许多优点,但它们也是相当敏感的元件,可能会出现许多故障模式并让人不知所措。非常薄的氧化物介电层能够为钽电容器提供许多重要优势,但它并不是非常牢固,设计工程师必须注意遵守规格限制。

作为一种极化器件,钽电容器必须在PCB上方向正确。在以往采用人工装配技术的工艺中,这更具挑战性,经常出现一些错误导致测试期间失败。现在的自动化生产工艺采用表面贴装器件,能够使此类错误的出现极为罕见。

如果在额定限制范围内使用,钽电容器会非常可靠,并提供良好的性能表现。许多设计指南和可靠性标准建议将工作电压降低50%,以确保有足够的余量来防止钽电容器损坏,但是也有一些制造商已经证明其产品更加可靠,只需降额10%。

钽电容器的应用

钽电容器能够提供高容量电容、低泄漏电流和长期的稳定性,许多应用可以因此受益。钽电容器通常可用于电源轨滤波,特别是智能手机和平板电脑等空间受限的应用。钽电容器还适用于敏感的模拟应用,其中低漏电流使采样保持电路能够支持信号电平更长时间,这种长期稳定性使它们在医疗应用以及高端音频放大器中广受欢迎。高级固态钽电容还可用于军用和其他高可靠性硬件(包括汽车),主要是因为它们具备时间稳定性,并且与铝电解电容不同,不会出现电解质干燥等问题。

最新趋势和元件

市场上有许多通用型钽电容器产品,如松下(Panasonic)的POSCAP 钽聚合物固态电容器,它能够在高频和高温下实现稳定的电容以及低ESR值。松下的POSCA钽电容器包括几个系列,涵盖3.9~1500mF范围,尺寸从2.0mm x 1.25mm到7.3mm x 4.3mm。鉴于其强大的频率性能,POSCAP电容器通常用于高频数字设备。

1

图1:AVX的F9H系列示例。

许多最近进入市场的钽电容器都集中在高可靠性应用。随着车辆的电气化程度不断提高,在动力系统以及增强型的信息娱乐、驾驶员辅助系统和传动(actuation)等领域的电子元件市场潜力巨大。AVX的F9H固态钽电容器是高度可靠的树脂包塑(resin-molded)元件,符合AEC-Q200标准。这些表面贴装元件的工作温度范围为-55~+150,额定温度为105。其额定电压可为10V或16V,该系列的电容值范围为10~47mF。同样来自AVX的TCQ系列专门针对汽车应用而设计,这些高可靠性的元件符合AEC-Q200标准,有10~470mF的电容值。每个电容都具有导电聚合物电极,如果按照数据手册建议使用,能够提供良性故障模式(benign failure mode),可适用于车身电子、信息娱乐和驾驶室控制等应用。

1

图2:KEMET公司T543系列的一种产品。

KEMET的T543系列有机电容器具有钽阳极和Ta2O5电介质,可实现极低的ESR(15mΩ),改善的高频电容值和业界领先的纹波电流处理能力。T543系列可作为商用现货(COTS)产品提供,具有-55~+105的工作温度范围,能够融合MLCC(低ESR)、铝电解电容(更高电容,良性故障模式)和固态钽电容(体积效率,SMD封装,长寿命)等技术的优势。

钻井行业中的一些应用最为棘手,其中数据需要在海平面下方的钻头处采集。KEMET的T502系列MnO2钽电容器专为随钻测量(MWD)应用而设计,这些高度可靠的元件已经通过230温度下运行1,000小时的认证,满足用于iL、DF和ESR的3-sigma筛选。其模压外壳由独特的高温材料制成,可耐受MWD应用中遇到的极端冲击和振动。

总结

钽电容器能够满足现代电子设计的许多需求,特别是其在体积效率方面的优势,能够以小巧、易于制造的表面贴装封装提供高水平电容。虽然钽电容器必须要在数据手册推荐的参数范围内使用,以避免元件故障,但如果在设计中适当降额,它们将是具有出色长期稳定性的高可靠性元件。

钽电容器正在越来越多地用于需要在恶劣环境下提供高鲁棒性的应用,AVX和KEMET等领先制造商的产品专门设计用于为汽车、工业和井下等应用提供高度可靠的服务。

相关文章

Digi-Key