使用美國製造的高容量超薄電容以縮減電路板尺寸並加速上市

硬體設計工程師不斷尋求機會來縮減元件的成本、尺寸與重量，同時還要符合甚至超越元件與系統在效率與可靠度上的目標。有個最常用於最佳化且關鍵的元件就是印刷電路板安裝的電容，因為其體積大且用途廣泛。在挑選電容時，可靠性也必須納入考量，因為在極端溫度下，電容容易漏液，且容量會隨時間而降低。此衰退現象可能會導致間歇性電路故障，進而影響系統的效率和可靠性。

雖然電容供應商不斷改進設計以改進能量密度、可靠性和重量，但礙於供應鏈問題導致前置時間拉長，可能無法取得適合應用的最佳零件。

本文將探討濾波器和大容量儲能電容的作用。也會說明如何用單一電容取代其他類型的電容，例如一列表面黏著電容，進而減少電路板元件和電路互連，並且提高整體電路的可靠性。除此之外，也會介紹 Cornell Dubilier Electronics 推出的高可靠性鋁電解電容，其具有薄型和超高能量密度的雙重優勢。由於電容在美國製造，因此可以快速運送到北美生產設施，進而縮短前置時間。

板式安裝電容的可靠性

電解電容的壽命取決於其內部結構在時間推移下的電化學降解速率。由於此衰退現象在典型工作條件下可以預測，因此製造商可以輕易地計算出電容的作用壽命。電容的可靠性其實是衡量電容的實際壽命，在面對結構變化或暴露在極端條件下時，與其預期壽命的接近程度為何。

雖然大電容和小電容的磨損壽命大致相同，但較小的電容則更可靠，因為陽極和陰極表面之間的表面積較小。電容越大，在挑選時就更要注重可靠性，此外也要考量供貨性。在撰寫本文時，電子元件的供應鏈正遭逢問題，包括諸多國際貨運的延宕在內。因此，供貨性和前置時間已成為挑選電子元件時的關鍵條件。

電容不像許多半導體一樣遭受尺寸最佳化的挑戰，因為要縮小電容的尺寸並非單單縮小到更小的製程幾何而已。礙於電容設計的物理特性，電容額定值法拉 (F) 越高，陽極與陰極之間的表面積就越大，因此實體尺寸也就越大。直立式電容 (亦稱為 V-chip) 是節省電路板面積的常見封裝選項，代價就是板高度較高且淨空距離減少，這會影響鄰近元件的封裝選擇。

大型鋁電解電容的安裝位置也會影響可靠性。大型電容會發熱，因此在某些情況下，需要氣流甚至是散熱片。施加的 DC 電壓、漣波電流與極端環境溫度都會導致參數漂移而縮短操作壽命。在規格書所列規格中，電容的有效串聯電阻 (ESR) 通常是第一個會出現偏差的參數。若 ESR 提高，電容會劇烈發熱。若運作過熱，內部結構會崩解，導致陽極與陰極短路，最終發生故障。在極少見情況下，熱能會讓電容乾涸，造成開路。

系統中若發生電容衰退，一開始會出現隨機故障，但在電容短路時，就會迅速演變成系統故障。對於串聯或並聯的電容組來說，這個問題會更加放大；如果一個電容故障，整組電容都會故障。因為電容組的故障率是單一電容的故障率乘以組中的電容數量，因此電容組會降低系統的可靠性。有鑑於此，在高可靠性設計中，並不鼓勵使用電容組，而是偏好使用一個大型電容。

高可靠性、高密度電容

Cornell Dubilier 針對空間受限的高可靠性應用推出 THA 和 THAS Thinpack 鋁電解電容。這些電容針對超高能量密度搭配薄型低高度封裝而設計，具有雷射熔接外殼，可將電解電容密封以免漏液。透過雷射熔接，就不需要大型的末端密封墊片，而絕大多數電解電容都會用此將末端密封。外殼上有個閥門，可讓氣體排出，緩解內部壓力，進而降低膨脹機率。THA 系列厚度為 8.2 mm，THAS 系列厚度為 9 mm。THA 與 THAS 電容的設計可分別在 85°C 與 105°C 下，確保達到 5,000 小時運作。能量密度為 0.9 J/cm³。

對許多濾波與馬達控制應用來說，設計人員可使用 THAS131M450AD0C THAS 系列的 130 μF 電容 (圖 1)。此電容的長度為 66.5 mm，寬度僅有 25.4 mm。如上所述，THAS 系列電容厚度僅有 9 mm，因此安裝後的電路板高度也相當低。此系列的額定值為 450 V，適合用於馬達控制應用與緊湊的電源供應器。因為此系列相當薄，也適合用於筆記型電腦或類似的低高度電子產品，因為元件的頭頂空間相當有線。相較於類似電容，此電容亦可直立安裝在電路板上以節省空間。

圖 1：THAS131M450AD0C 130 μF 電容額定值為 450 V，厚度僅有 9 mm，因此適合用於馬達控制與低高度的電路板應用。(圖片來源： Cornell Dubilier)

THAS131M450AD0C 具有 130 μF，可用來取代小型電容組，藉此提升可靠度。THAS131M450AD0C 的 ESR 在 25°C、120 Hz 下為 1.12 Ω，但在 20 kHz 下則降至 0.54 Ω。因為具有低 ESR，因此適合用於切換式電源供應器，其必須將發熱降至最低。在 85°C 下的額定漣波電流額定值為 1.36 A，這對電源來說也相當重要。

THAS131M450AD0C 電容屬於 Cornell Dubilier 的 THAS 產品系列，具有不鏽鋼套管，可提高耐用性。其端子採用 20 AWG，適用於大多數通孔印刷電路板安裝應用。

對於必須短暫儲存電壓的應用來說，設計人員可以轉用 THAS322M050AD0C THAS 系列 3200 μF、50 V 電容。其長度為 66.5 mm，厚度為 9 mm，並採用不鏽鋼套管。在 120 Hz 時 ESR 為 0.05 Ω，但在 20 kHz 時稍微降低至 0.04 Ω。可處理 20 kHz 的 3.48 A 的漣波電流，以及 20 Hz 的 2.90 A 漣波電流。具有低 ESR 與高電流能力，因此適合當作 50 V 超級電容使用，可在主要電源供應器無法供電時，暫時供應電力給小型電路。

如同 Cornell Dubilier 的所有 THAS 電容一樣，THAS322M050AD0C 的頂端也有排氣孔，如圖 2 所示。此排氣孔能讓電容在正常運作下排出氣體，但在高溫下的排氣頻率會增加。排出的氣體是氫氣與廢氣的混合。

圖 2：THAS322M050AD0C 電容頂端的排氣孔能讓正常運作下累積的內部氣體安全排出。(圖片來源：Cornell Dubilier)

排出內部氣體相當重要，尤其是大容量電容。氫氣與其他氣體會在鋼製外殼內部累積，聚積的壓力會引發故障。若電容排氣不良，內部氣體累積到一個點，電解液就會外漏到電路板，導致其他電子元件短路，甚至導致電容本身爆炸。請注意，在進行電路板的佈局配置時，要確保電容的排氣孔不受阻礙。

為了達到更大電荷容量，Cornell Dubilier 開發出 THA 系列。THA Thnkpack 電容具有鋁套管，厚度為 8.2 mm，比 THAS 稍微薄一些。THA 系列中有一款 4400 μF、50 V 的 THA442M035AC0C。其長度為 53.8 mm，相較於類似電容，可提供超高能量密度。在 120 Hz 下的 ESR 為 0.07 Ω，在 20 kHz 下則為 0.06 Ω，因此適合在電源供應器短暫中斷時，當作小型電子元件的臨時供電來源。4400 μF 的電容溫度可能會相當高，因此提供適當的氣流相當重要，以確保維持在建議的工作溫度範圍內，即 -55°C 至 +85°C。若是大容量電容，更重要的是確保排氣孔不受阻礙。此外也建議，排氣孔別朝向任何可燃物品，因為氫氣可能會爆炸。

結論

電容是電子系統的關鍵元件。兼顧高可靠度與高能量密度，並採用薄型設計，設計人員即可縮小電子系統的尺寸並提升工作壽命。採用美國製造的單一個高能量密度電解電容，就可避開冗長的前置時間，並可取代電容組，節省電路板空間。

資源

1. THA 與 THAS Thinpack 鋁電解電容培訓單元