高压、大容量电容器应用与选型

电容器是各种电子产品终端必不可少的元件，在电子系统中起着至关重要的作用。随着电子产品制造水平的提升和系统性能需求越来越苛刻，系统厂商的工程师和采购人员对电容器的性能提出了新的要求。在工业、电源等应用中，系统厂商对高容量、低ESR、小体积的电容器的需求更加迫切，而在汽车、军工和航空航天等应用中，则对电容器寿命、耐压、可靠性等提出了更高的要求。

　　在历年来的中国电子展(CEF)上，电容器厂商一直是展会的常客，并占据参展商数量很大的比例，在刚刚结束的第74届中国电子展上，组委会特意安排了电容器专区，国内多家电容器厂商参与展示了各种电容器产品，为观众提供了一站式采购平台。展会第一天，本刊组织了电容器应用与选型研讨会，与电容器展区交相辉映，致力为电容器供应商提供更好的宣传与推广服务，并为观众提供更好的技术支持和内容服务。

　　诸如电源、工业、汽车、军工和航空航天等领域对高压、大容量电容器有很大的需求，在这些领域，通常有一下几种类型可供选择：铝电解电容器、薄膜电容器、陶瓷电容器。演讲嘉宾分别就不同领域的电容器选型为听众进行讲解。

　　高压、长寿命应用的电容器选型

　　在新能源汽车电源部分的设计中，需要采用高耐压的电容器进行平滑(smoothing)和滤波(fiLTEr)的应用，汽车内部通常工作环境恶劣，要求电容器耐高温性能强、可靠性高，寿命长，此时薄膜电容相比铝电解电容具备较大的优势。

　　演讲嘉宾日本MACHINE-TECHNOLOGY中国区代表赵福宁为听众介绍了薄膜电容在新能源汽车的应用和发展。赵福宁举例说道：“铝电解电容显著弱点是在高温下寿命低下。比如第一代丰田普锐斯(PRIUS)混合动力汽车，采用的是铝电解电容，电压是450V，容量为1000μF，寿命在105℃时仅为1000小时，长期使用会面临更换电容的问题。所以第二代普锐斯开始就采用薄膜电容，电压达到600V，寿命为15年以上，而到最新的第三代普锐斯采用的薄膜电容，电压已经达到750V，寿命同样在15年以上。”

　　赵福宁表示，旧一代的混合动力汽车，功率部分IGBT支持600V电压，平滑部分需要450V电压和60A电流，此时采用铝电解电容可以胜任。到最近几年，IGBT已经达到900V电压，平滑部分也需要750V电压和90A电流，只有采用薄膜电容才能胜任。

　　薄膜电容还具备小体积的优势，相同容量的薄膜电容和电解电容，薄膜电容的体积大概会小一半。尤其是金属化薄膜电容器，其制法是在塑料薄膜上以真空蒸镀上一层很薄的金属以做为电极，如此可以省去电极箔的厚度，缩小电容器单位容量的体积。此外，薄膜电容器还有下面的一些优势：无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且介质损失很小。

　　高容量、成本敏感应用的电容器选型

　　尽管薄膜电容器在寿命、耐压能力等方面具备较大优势，不过在PC、消费电子等较低电压和成本敏感的应用，我们看到最多的还是MLCC和铝电解电容器。铝电解电容器重要厂商台湾立隆电子有限公司的总经理吴志铭介绍了各种电容针对容量和电压不同的一个选型指南。吴志铭先生表示：“低压、低容量领域MLCC抢占了铝电解电容器的大量空间，而在高压、低容量领域电解电容又收到薄膜电容的威胁，因此高压、高容量与低单位容量成本才是铝电解电容器存在的价值。”例如，在LCD

　　TV、LCD monitor、notebook、台式电脑主板、STB、交换器、UPS、Power

　　Inverter和LED照明等应用中，电解电容器仍然处于绝对的市场领先地位。

　　此外，高性能的电解电容也在汽车电子领域得到了广泛应用。比如立隆电子的U787D系列产品，满足AEC-Q200汽车电子规范对元件工作温度、震动、温度稳定性等项目的要求，其工作温度能达到+150℃，且满足汽车蓄电池36V和42V的电压标准。

　　另一家国内高性能电容器厂商，南通江海电容器股份有限公司也在研讨会上发表了精彩讲演。江海公司总工程师丁继华表示，针对工业用电容器选型，需要考虑下面一些因素：长寿命、高可靠(品质稳定)、高稳定(安全性能)、低成本、个性化设计。

　　针对铝电解电容通常寿命相对较低的特点，江海进行一系列技术攻关，有效提升了铝电解电容的寿命。丁继华介绍道，提升寿命首先要降低工作温度，因为工作温度与功率P相关，而P=I2

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　　ESR，所以首先要降低ESR，江海采用多种方式减低电容器ESR，比如采用多对引线条引出(并联电阻以减少ESR)，负极延伸等工艺。此外，还需要减小电容器中心与环境之间的热阻，即加强散热，江海采取的是无固定剂结构，以及厚底加散热膜等工艺。

　　目前铝电解的趋势，在工业、电源等高压产品领域，是小型化、长寿命化和纹波电流提升;在通信、资讯等低压产品领域，是小型化、低阻抗、纹波电流提升和长寿命的趋势。

　　图：各类电容的温度特性——ESR相对温度的变化，容量相对温度的变化(AL - 铝电解电容;Ta - 钽电容;OS -

　　有机半导体固体电容;CR(X5U) - X5U陶瓷电容器;CR(X5P) - X5P陶瓷电容器)

　　贴片电容在高压领域的应用

　　贴片电容通常应用在一些低压场合，不过市面上同样有一些高压贴片电容和安规贴片电容产品，台湾厂商禾伸堂就是这方面的专家。本次研讨会禾伸堂国际贸易(上海)有限公司市场部资深经理黄铨廷为听众带来了“安规贴片电容与一般高压电容的应用差异”的演讲，如图所示即为安规贴片电容与一般高压电容的差异：

配置电容的经验值
好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容有5nH分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。
1uf，10uf电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。
每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小可选10uf。最好不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感，最好使用胆电容或聚碳酸酝电容。 去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算；即10MHz取0.1uf。
由于不论使用怎样的电源分配方案，整个系统会产生足够导致问题发生的噪声，额外的过滤措施是必需的。这一任务由旁路电容完成。一般来说，一个1uf-10uf 的电容将被放在系统的电源接入端，板上每个设备的电源脚与地线脚之间应放置一个0.01uf-0.1uf 的电容。旁路电容就是过滤器。放在电源接入端的大电容（约10uf）用来过滤板子产生的低频（比如60hz 线路频率）。板上工作中的设备产生的噪声会产生从100mhz 到更高频率间的合共振（harmonics）。每个芯片间都要放置旁路电容，这些电容比较小，大约0.1u 左右。

退藕电容的一般配置原则
1. 电源输入端跨接10 ~100uf的电解电容器。如有可能，接100uf以上的更好。
2. 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pf的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个1 ~ 10pf的但电容。
3. 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如 ram、rom存储器件，应在芯片的 电源线和地线之间直接入退藕电容。
4、电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。此外，还应注意以下两点：
a、 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电 ，必须采用附图所示的 rc 电路来吸收放电电流。一般 r 取 1 ~ 2k，c取2.2 ~ 47uf。
cmos的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。
由于大部分能量的交换也是主要集中于器件的电源和地引脚，而这些引脚又是独立的直接和地电平面相连接的。这样，电压的波动实际上主要是由于电流的不合理分布引起。但电流的分布不合理主要是由于大量的过孔和隔离带造成的。这种情况下的电压波动将主要传输和影响到器件的电源和地线引脚上。
为减小集成电路芯片电源上的电压瞬时过冲，应该为集成电路芯片添加去耦电容。这可以有效去除电源上的毛刺的影响并减少在印制板上的电源环路的辐射。
当去耦电容直接连接在集成电路的电源管腿上而不是连接在电源层上时，其平滑毛刺的效果最好。这就是为什么有一些器件插座上带有去耦电容，而有的器件要求去耦电容距器件的距离要足够的小。

去耦电容配置的一般原则如下：
● 电源输入端跨接一个10～100uF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。
● 为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配置一个1～10uF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5uA以下）。
对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。
● 去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。
● 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须RC 电路来吸收放电电流。一般 R 取 1 ~ 2K，C取2.2 ~ 47UF。
● CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

● 设计时应确定使用高频低频中频三种去耦电容，中频与低频去耦电容可根据器件与PCB功耗决定,可分别选47-1000uF和470-3300uF；高频电容计算为: C=P/V*V*F。
● 每个集成电路一个去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。
● 用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容作电路充放电储能电容。使用管状电时，外壳要接地。