為何要使用聚合物鋁電容，及如何用來有效驅動 CPU、ASIC、FPGA 和 USB

針對 USB 電源以及電子系統與子系統，包括 IC、應用特定 IC (ASIC)、中央處理器 (CPU) 和現場可編程閘極陣列 (FPGA)，在設計電力傳輸解決方案時，設計人員不斷設法改善效率，並確保能以小巧的尺寸，在廣大的溫度範圍下達到穩定、零雜訊的電源品質。他們必須改善效率、穩定性與可靠性，降低成本，以及縮小解決方案的尺寸。同時，還必須滿足應用愈來越多的電源效能要求，包括將供電電路的輸入與輸出電流平滑化、支援峰值功率需求，以及抑制電壓波動。

為了應對這些挑戰，設計人員需要使用具有低等效串聯電阻 (ESR) 和高頻低阻抗的電容，來支援漣波吸收，並確保快速、流暢的暫態響應。此外，運作可靠性和供應鏈可靠性也很重要。

就相關的問題及選擇來看，聚合物鋁電解電容是個不錯的新興解決方案，其具備高電氣效能、穩定性、低雜訊、可靠性、小型尺寸，且由於不使用任何衝突材料，因此具有低供應鏈風險。這種電容的 ESR 較低 (測量單位一般為 mΩ)，在高達 500 kHz 的高頻率下具有低阻抗，並能提供絕佳的雜訊抑制、漣波吸收，以及電源線解耦效能。在較高的工作頻率和溫度下，電容量也很穩定。

本文將概略介紹聚合物鋁電解電容的工作原理和製造方式。文中先將這些電容的效能，與替代性電容技術進行比較，接著檢視聚合物鋁電解電容的特定應用。最後則回顧 Murata 的代表性元件，以及設計人員使用這些電容時所需瞭解的應用考量。

聚合物鋁電容如何製造？

聚合物鋁電容包含蝕刻式鋁箔陽極、鋁氧化膜介電質，以及導電聚合物陰極 (圖 1)。依具體的元件而定，電容量選擇介於 6.8 至 470 µF，電壓範圍介於 2 至 25 Vdc。

圖 1：此為聚合物鋁電解電容模型，其中展示蝕刻式鋁箔陽極 (左)、鋁氧化膜介電質 (中)，以及導電聚合物陰極 (右) 的關係。(圖片來源：Murata)

在 Murata 的 ECAS 系列元件中，蝕刻式鋁箔直接貼在正極上，導電聚合物則以碳糊覆蓋，並使用導電銀膠連接至負極 (圖 2)。鑒於機械強度與環境保護，整個結構以模塑的環氧樹脂封裝。產生的薄型表面黏著封裝不含鹵素，額定的濕度敏感等級 (MSL) 為 3 級。鋁箔和氧化膜的多層 (疊層式) 結構，使得 Murata 的 ECAS 系列有別於典型鋁電解電容，例如罐型纏繞結構，可將聚合物或電解質當作陰極使用。

圖 2：此為 ECAS 系列聚合物鋁電容元件結構，展示導電聚合物 (粉紅色)、蝕刻式鋁箔 (白色)、鋁 (Al) 氧化膜 (藍色)、連接導電聚合物至負極的碳糊 (棕色) 和銀膠 (深灰色)，以及環氧樹脂外殼。(圖片來源：Murata)

疊層式結構與材料選擇的結合，使得 ECAS 電容具有電解電容現有最低的 ESR。ECAS 系列聚合物鋁電容提供的電容量，相當於聚合物鉭 (Ta) 電容、鉭二氧化錳 (MnO₂) 電容，和多層陶瓷電容 (MLCC)，ESR 則相當於 MLCC，且低於聚合物或 MnO₂ 鉭電容 (圖 3)。

圖 3：相較於 MLCC，聚合物鋁電容 (ECAS 系列) 具有更高的電容值和相當的 ESR；另外其 ESR 也較低，且電容量相當於鉭和罐型鋁電容。(圖片來源：Murata)

對於注重成本的應用，鋁電解電容和鉭 (MnO₂) 電容可能是相對便宜的解決方案。傳統的鋁或鉭電解電容，將電解質或二氧化錳 (MnO₂) 當作陰極使用。ECAS 電容使用導電聚合物陰極，這樣能降低 ESR、使熱特性更穩定、提高安全性，並延長使用壽命 (圖 4)。MLCC 雖然相對便宜，但會受到 DC 偏壓特性所影響，而在其他電容技術中不存在此類特性。

圖 4：聚合物鋁電容提供一系列基本特點：低 ESR、DC 偏壓特性、溫度特性、使用壽命與可靠性。(圖片來源：Murata)

DC 偏壓特性係指 MLCC 在施加 DC 電壓下的電容量變化。隨著施加越多的 DC 電壓，MLCC 的有效電容量會變得越低。當 DC 偏壓增加到幾伏特時，MLCC 標稱電容值可能會喪失 40% 至 80%，因此不適合用於許多電源管理應用。

聚合物鋁電解電容的效能特性，使其非常適合用於電源管理應用，包括 CPU、ASIC、FPGA 及其他大型 IC 的電源供應器，並支援 USB 電源系統中的峰值功率需求 (圖 5)。

圖 5：範例 1 (上)：目標應用所用電源管理電路中的聚合物鋁電容，用來消除漣波，並使電壓源達到平滑、穩定。範例 2 (下)：聚合物鋁電容能支援 USB 電源系統中的峰值功率需求。(圖片來源：Murata)

聚合物鋁電容具有低 ESR、低阻抗和穩定的電容量，因此適用於漣波的平滑化與消除等應用，尤其是在承受巨大電流負載波動的電源線上。在這些應用中，聚合物鋁電容能和 MLCC 併用。

聚合物鋁電容提供電源管理功能，而 MLCC 能過濾 IC 電源引腳上的高頻雜訊。聚合物鋁電容也能支援 USB 電源系統中的峰值功率需求，同時維持小型電路板覆蓋區。

聚合物鋁電容

ECAS 聚合物鋁電容有四種 EIA 7343 公制外殼尺寸，依其額定值而定：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)；和 D9 (7.3 mm x 4.3 mm x 4.2 mm 高)。提供 DigiReel、切帶裝與捲帶裝形式 (圖 6)。其他規格包括：

• 電容量範圍：6.8 µF 至 470 μF
• 電容量容差：±20% 與 +10%/-35%
• 額定電壓：2 Vdc 至 16 Vdc
• ESR：6 mΩ 至 70 mΩ
• 工作溫度：-40°C 至 +105°C

圖 6：ECAS 聚合物鋁電容有 DigiReel、切帶裝和捲帶裝形式，外殼尺寸有 D3、D4、D6、D9。(圖片來源：Murata)

Murata 最近擴大 ECAS 系列，納入 330 µF (±20%) 6.3 V 裝置，例如 ECASD60J337M009KA0，其 ESR 為 9 mΩ，並採用 D4 外殼尺寸。若電容值較高，則有助於改善漣波平滑化和減少所需的電容數量，進而縮減解決方案的整體尺寸。

例如，當 ECASD40D337M006KA0 330 µF (±20%)、2 V、ESR 6 mΩ 的聚合物鋁電容，用於為切換頻率 300 kHz 的 DC-DC 轉換器來過濾輸出時，此電容產生的漣波電壓將為 13 mVp-p，相較之下，鋁聚合物電容的 ESR 為 15 mΩ，產生的漣波電壓為 36 mVp-p，或鋁電解電容的 ESR 為 900 mΩ，產生的漣波電壓為 950 mVp-p。

ECAS 電容的其他範例包括 ECASD40D157M009K00，額定值為 150 µF (±20%) 與 2 Vdc，ESR 為 9 mΩ，採用 D4 外殼；以及 ECASD41C686M040KH0，額定值為 68 µF (±20%) 與 16 Vdc，ESR 為 40 mΩ，也是採用 D4 外殼。ECAS 聚合物鋁電容的特點包括：

• 高電容量與低 ESR 相結合
• 施加 DC 電壓／溫度／高頻率下具有穩定的電容量
• 優異的漣波吸收能力、平滑化、暫態響應
• 無需電壓降額
• 消除陶瓷電容產生的聲音雜訊 (壓電效應)
• 產品上指明極性條 (正極)
• 表面黏著結構
• 符合 RoHS 指令
• 無鹵素
• MSL 3 封裝

設計考量

ECAS 聚合物鋁電解電容已針對電源管理應用進行最佳化；不建議將其用於時間常數電路、耦合電路，或對漏電流敏感的電路。ECAS 電容不是針對串聯而設計。其他設計考量包括：

• 極性：聚合物鋁電解電容經過極化，而且極性必須正確連接。即使只是短暫施加逆向電壓，也可能會損壞氧化膜，損及電容效能。
• 工作電壓：這些電容用於 AC 或漣波電流電路時，峰對峰電壓 (Vp-p) 或偏移對峰電壓 (Vo-p) (包括 DC 偏壓)，必須維持在額定電壓範圍內。在可能會經歷暫態電壓的切換電路中，額定電壓必須高到能同時納入暫態峰值。
• 湧入電流：如果預料湧入電流會超過 20 A，則需要對湧入電流做出額外限制，才能將湧入電流峰值維持在 20 A。
• 漣波電流：ECAS 系列的每個型號，都有特定的漣波電流額定值上限，絕不能超過此值。漣波電流過高時，產生的熱量可能會損壞電容。
• 工作溫度：
  • 在判定電容的額定溫度時，設計人員需考量應用的工作溫度，包括設備中的溫度分佈，及任何季節溫度因素。
  • 電容的表面溫度必須維持在工作溫度範圍內，包括電容因漣波電流等特定應用因素而自體發熱時，也是如此。

結論

對於電力傳輸系統的設計人員，很難在效率、效能、成本、穩定性、可靠性與尺寸中達到最佳平衡，尤其是在供電給 MCU、ASIC 和 FPGA 等大型 IC，以及支援 USB 應用中的峰值功率需求時。電容是電源供應訊號鏈的主要元件之一，而且如果使用正確的技術，電容有許多特性能協助達成設計人員的要求。

如本文所示，聚合物鋁電容能協助設計人員找到適當的平衡。電容結構能確保在高達 500 kHz 頻率下阻抗低，並確保低 ESR、良好的漣波平滑化，以及良好的雜訊抑制與電源線解耦。再者，這種電容無任何 DC 偏壓限制，並能自行修復，提高運作可靠性。此外，供應鏈也較可靠，因為未使用衝突材料。總的來說，聚合物鋁電容為設計人員提供更高效能的選擇，以應對多種電源管理系統的要求。

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