鉭電容器的陽極選擇

開關(guān)式電源，微處理器和數(shù)字電路應(yīng)用的一個(gè)共同趨勢是降低高頻工作時(shí)的噪聲。為了做到這一點(diǎn)，元器件必須具備低ESR（電阻率）、高電容和高可靠性。

鉭電容器陽極的總體表面積，特別是其表面積與體積比，是確定其ESR值的關(guān)鍵參數(shù)之一，總表面積越大，ESR值越大。使用多陽極是大幅降低鉭電容器ESR值的其中一種方法，其做法是在一個(gè)電容體中使用多個(gè)相同的電極材料。

傳統(tǒng)的做法
在高壽命和高可靠性應(yīng)用中，二氧化錳電板極常規(guī)鉭電容器仍然是一個(gè)普遍的選擇。二氧化錳技術(shù)能提供極好的場性能和環(huán)境穩(wěn)定性以及在很寬的電壓范圍如2.5～50V內(nèi)提供高電阻率和熱阻率，器件設(shè)計(jì)的運(yùn)行溫度在125℃以上。然而，與聚合物鉭電容器相比，二氧化錳電極系統(tǒng)較高的ESR是一個(gè)缺點(diǎn)。

陽極選擇
單一陽極技術(shù)成為標(biāo)準(zhǔn)通用型選擇是由于其出色的性價(jià)比。多陽極設(shè)計(jì)可提供更低的ESR值，但其缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本要高于單陽極解決方案。

使用標(biāo)準(zhǔn)的芯片集成工藝的槽式陽極設(shè)計(jì)是低ESR與低成本折中的一種結(jié)果。因此，槽式設(shè)計(jì)通常用于價(jià)格敏感同時(shí)要求低ESR的設(shè)計(jì)，而多陽極技術(shù)適合用于既要求低ESR更要求高可靠性的應(yīng)用中，如電信基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和軍事/航空航天等應(yīng)用。

除了上述差異，多陽極的概念有另兩處優(yōu)勢。

(1)多陽極設(shè)計(jì)具有更好的散熱性能，這意味著多陽極電容可以承載更高的持續(xù)電流；同理，多陽極電容對抗電流浪涌危害的能力也更強(qiáng)。

(2)相較于單一的陽極，多陽極電容的單位容積效率較低，這導(dǎo)致了一種假設(shè)，認(rèn)為多陽極不能達(dá)到與單一陽極一樣的CV（定電壓因素）。事實(shí)上，薄的陽極實(shí)現(xiàn)起來更容易，并且更易被第二個(gè)二氧化錳電極系統(tǒng)穿透，使更高的CV得以利用，因此，多陽極電容器能達(dá)到同樣甚至更高的CV水平。

常見多陽極類型
當(dāng)今市場上常用的鉭多陽極通常采用縱向排列3～5個(gè)陽極于一個(gè)電容體內(nèi)的方法實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。這實(shí)際是從制造的角度來看的，如果從ESR的角度，此解決辦法則不如橫向布局，橫向布局中更薄的平板陽極有望進(jìn)一步減小ESR。

圖1 多陽極裝置在一個(gè)電容器體中使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的陽極

新的多陽極裝置多陽極設(shè)計(jì)的費(fèi)用隨其陽極個(gè)數(shù)增長而成倍增長。目前大多數(shù)設(shè)計(jì)中使用的三陽極設(shè)計(jì)已接近成本與ESR的最佳優(yōu)化比。

縱向設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，一個(gè)陽極通過電極銀膠環(huán)氧樹脂連接到第二個(gè)，再到另一個(gè)電極引線框。同樣的做法被使用于標(biāo)準(zhǔn)的單陽極電容中，因此其制造技術(shù)與舊有的類似，無須為多陽極設(shè)計(jì)的新技術(shù)環(huán)節(jié)追加很多額外投資。

另一方面，橫向設(shè)計(jì)需要為陽極之間的連接產(chǎn)生新的解決方法，這直接導(dǎo)致了代價(jià)高昂的技術(shù)修改。因此，迄今為止這種設(shè)計(jì)并沒有被用于單一多陽極電容的批量生產(chǎn)。橫向的設(shè)計(jì)更經(jīng)常使用于一些特殊應(yīng)用中，方式是通過焊接或跳汰系統(tǒng)，將兩個(gè)或兩個(gè)以上完整的電容器疊加到陣列或模塊中。

橫向和縱向結(jié)構(gòu)兩者ESR性能之間的差異如圖2所示。這個(gè)例子是基于對D類電容器的理論計(jì)算，圖2表明，兩陽極橫向結(jié)構(gòu)與三陽極系統(tǒng)的縱向結(jié)構(gòu)的ESR值相似。然而，相對而言橫向結(jié)構(gòu)在ESR上性價(jià)比優(yōu)勢更顯著。

圖2 橫向和縱向結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)相似，成本成為決定因素

相比橫向結(jié)構(gòu)，縱向設(shè)計(jì)在縮減高度上受限制更大，目前的電容器高度一般在3.5～4.5mm。今天，這一因素更顯重要，甚至在有如電信基礎(chǔ)設(shè)施、軍事等應(yīng)用中，電子產(chǎn)品的小型化也正成為一個(gè)考驗(yàn)，這在過去是不曾有的。

利用兩個(gè)陽極橫向“鏡像”結(jié)構(gòu)，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型的多陽極結(jié)構(gòu)。鏡像結(jié)構(gòu)使用改良的引線框形狀，引線框定位于兩陽極中間。這種結(jié)構(gòu)解決了電極橫向排列的連接問題，并使工藝改裝費(fèi)用下降到了可接受的水平。

兩陽極鏡像設(shè)計(jì)的ESR性能稍遜色于三陽極縱向結(jié)構(gòu)的效果，但它制造起來更便宜。鏡像設(shè)計(jì)的主要好處在于，它使多陽極電容器的高度減小，最低下降到3.1mm。

利用鏡像設(shè)計(jì)的其他優(yōu)點(diǎn)是，其對稱的布局有助于減少自感（ESL）。對稱的結(jié)構(gòu)對電感回路作了部分補(bǔ)償，有利于將ESL降低至采用經(jīng)典引線框設(shè)計(jì)的方案之下。

一個(gè)D類單陽極設(shè)計(jì)的ESL值為2.4nH，典型值為2.1nH左右。鏡像設(shè)計(jì)的ESL值約1nH為常規(guī)設(shè)計(jì)的一半。這會(huì)將鏡像多陽極的共振頻率升至更高值，如圖3所示。

圖3 鏡像設(shè)計(jì)的性能（a）顯示出其電容隨頻率下降值低于單陽極解決方案，并且其（b）ESR值也是如此

鏡像結(jié)構(gòu)如果使用更薄的陽極，電容將隨頻率下降至更低。鏡像設(shè)計(jì)的共振頻率改變，其原因是目前一般的 DC/DC轉(zhuǎn)換器其開關(guān)頻率的工作范圍（250～500kH）會(huì)因降低ESL而顯著升高。

鏡像設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處是改善了其散熱性能如圖4所示，紋波電流在陽極產(chǎn)生的熱量通過PCB板上的引線和鉭絲得以發(fā)散冷卻。

圖4 鏡像設(shè)計(jì)（a）相比單陽極器件功耗改善

因此，盡管單陽極D類電容可連續(xù)散熱只有150mW，但類似尺寸的鏡像結(jié)構(gòu)電容可以處理255mW。鏡像橫向型多陽極電容器目前可達(dá)到的電容值為220～1000μF，電壓為2.5～10V，ESR值為25～35mΩ。未來的發(fā)展將進(jìn)一步擴(kuò)展電壓范圍至35和50V，這將使電容器在設(shè)計(jì)高度日趨重要的電信新應(yīng)用中非常具吸引力。單個(gè)35～50V電容在 3.1mm的最大高度內(nèi)擁有10～22μF的電容量，65～140mΩ的ESR值，這是其他任何技術(shù)都難以企及的。