聚合物電容大容量低ESR優勢明顯，替代部分車規MLCC

電子發燒友網報道（文/李寧遠）作為三大無源器件之一的電容，是任何硬件電路都離不開的基礎被動元器件。電容依靠兩大基本性質，儲存電荷和不使直流電流通過，以各種形式被應用在日常使用的電子產品的電路中，發揮著重要作用。

在對電容進行分類的時候，通常按照電介質的不同來進行分類，如無機電容、有機電容還有電解電容。陶瓷電容就屬于無機介質電容器，DC薄膜電容屬于有機介質電容器，電解電容就是鋁電解、鉭電解電容這些。

其中電解電容在電容品類里有著接近40%的占比，因其容量大而備受關注。而現在電解電容的發展也是非?？?。

從電解電容到高分子固體聚合物電容

所有品類的電容都在不斷進行技術升級和發展，電解電容也是。傳統電解電容里常見的是鉭電解電容和鋁電解電容，二者的容值范圍都非常大。不同之處在于鉭電解電容體積更小不容易受溫度影響，鋁電解電容成本更低，電壓范圍更大。

不過傳統電解電容都有其缺點，鋁電解電容擺脫不了物理特性容易出現受熱膨脹的特性，很容易出現漏液的危險現象，而鉭作為一種資源性材料產量小成本也更高。為了解決這些限制，高分子固體聚合物電容被開發了出來。

高分子固體聚合物電容以高分子導電材料取代傳統電解液的電解電容器，在高頻低阻抗性能、高溫耐受性、漏液特性上均實現了明顯的性能提升。在很多應用中，開始替換某些無機和有機介質電容器。

聚合物鉭/鋁電解電容器通過以多層鉭/鋁箔結構為陽極，以固體導電聚合物為陰極，陰極材料的創新發展，給電解電容帶來了很多性能上的改變，最直接的效果就是實現了低ESR、低阻抗和高靜電容量。

所謂導電高分子，其材料是具有導電性的一類聚合材料，可以是本身具有導電功能或摻雜其他材料后也具有導電功能的一種聚合物材料，也可以通過填充復合材料，表面混合或層壓普通聚合物材料和各種導電材料獲得導電性。

以聚合物鉭電容為例，聚合物鉭電容器不使用陰陽極片，陽極由鉭粉燒結成的鉭顆粒制成。這種顆粒經過陽極氧化處理，整個陽極表面形成五氧化二鉭（Ta2O5）介質層。然后，用高導電聚合物浸漬氧化顆粒用作陰極。

雖然結構上與傳統的二氧化錳（MnO2）鉭電容結構相似，但是導電聚合物電容使用固有導電聚合物材料，導電率高出幾個數量級。因此，導電聚合物電容器的等效串聯電阻（ESR）大大低于MnO2電容器，并且降低了所需的電壓降額。

聚合物鉭電容與聚合物鋁電容

高分子固體聚合物電解電容優勢最直觀的就是容量大幅提升ESR大幅降低。液態電解質用作陰極時，離子在液態電解質中移動較為緩慢，這帶來了更高的阻抗。而聚合物是利用電子導電，其電導率比液態電解質高3個數量級，因此聚合物電解電容有極低的ESR。

以MnO2鉭電容器為例，其ESR典型值為40－50mΩ，這種相對較高的ESR值無疑是一個短板，在10kHz以上的應用中這樣的高ESR使其應用范圍嚴重受限。相較而言，聚合物鉭電容將ESR降低到了5mΩ以下，因此可用于高達500kHz的應用中。通常，ESR過高而引發的電路故障是很難檢測的，只能在設計之初就考慮好它可能帶來的影響，更低的ESR在整個電路的設計上無疑是更友好的。

第二點在于穩定性，容量的穩定性。陰極材料的差別會讓容量穩定性有很大差異，陰極如果在高溫下表現出更高的活躍度，對電容的整體性能會產生很大影響，一般這種影響都是弊大于利的，甚至是在溫度過高時出現爆漿，在低溫時其穩定性也會出現明顯改變。受到外加電壓時同樣。

容值穩定性的意義在于聚合物電容的容量隨溫度、電壓和時間變化的幅度不大，呈現出良好的長期性能穩定性，有著極長的使用壽命。聚合物鉭電容在－55℃低溫下容值幾乎沒有變化，不過高溫同樣會讓高分子分解影響性能。

雖然高溫均會影響到電容，但相較之下，聚合物電解質發生短路時不易燃燒，安全性更高，而二氧化錳電解質，容易與氧氣發生化學反應，導致燃燒。

上面這些是聚合物鉭電容與聚合物鋁電容都具備的特點，但其實二者作為最常見的兩類電解電容還是有差別的，就是容量在頻率之間的權衡。在工作頻率接近1MHz時，聚合物鋁電解電容器的確也能夠實現低到2mΩ左右的ESR，如果再配合一些復雜設計，還可實現再高一些的電容保持。

但是，這種ESR降低是通過折中聚合物鋁電解電容器的最大電容量來實現的，其電容值只有相同封裝尺寸的聚合物鉭電容的50%-80%。在對電容器的容積效率、可靠性、額定電壓和大容量提出更高的要求的場合，聚合物鉭電容無疑更具優勢。

聚合物鉭電容替代部分車規MLCC

聚合物鉭電容長期以來作為相控陣雷達、航空電子控制和顯示以及電力系統等高端領域應用的大容量電容，在容積效率、可靠性、大容量上是肯定沒有問題的。增加堆疊選件還能在小面積下做更大的容量，節省大量PCB空間。這種大容量，高額壓使聚合物鉭電容器成為脈沖雷達、激光雷達、保持電路等應用中的絕佳選擇。

近年來MLCC的火熱程度是有目共睹的，尤其是車規產品，0805尺寸及以上系列的供應依舊比較緊張。不少廠商也在尋找替代方案以應對車規MLCC供應鏈不穩定性，供貨緊張的行情。

聚合物鉭電容的高穩定性、尺寸靈活、大容量、高額壓成為不錯的一個替代方向。而且關鍵之處在于，聚合物鉭電容和MLCC重合的容值范圍是1uF-1000uF，電壓范圍是2.5V—75V，正好是一些車規MLCC覆蓋的范圍。

直接替換是不實際的，只有很少一部分系列的MLCC能直接被聚合物鉭電容替代，絕大多數還是需要重新測試并修改PCB設計。當然，二者在電氣特性上的不同也是替換時需要特別注意的。

現在已經有一些車規級MLCC應用采用聚合物鉭電容來進行替代，并取得了良好的替代效果，很多車規應用的板上由于輸出功率的增大，會面臨增多MLCC卻又無法擺放的窘境。聚合物鉭電容的替代可以在不增加電容數量的前提下，解決不少板上空間問題。

小結

電容技術一直在飛速發展，各類電容也需要在小型化、高容化、高耐電壓性以及高可靠性上持續升級。聚合物電容作為大容值電容的代表品類也在不斷拓展應用，隨著汽車領域元器件小型化的進一步發展，小尺寸大容量聚合物鉭電容在一些車內應用里替代某些MLCC的方案還是很有價值的。