钽质电容介绍

1、一、钽电容介绍钽电容是由稀有金属钽加工而成，先把钽磨成微细粉，再与其它的介质一起经烧结而成。目前的工艺有干粉成型法和湿粉成型法两种。钽电容由于金属钽的固有本性，具有稳定好、不随环境的变化而改变、能做到容值很大等特点，在某些方面具有陶瓷电容不可比较的一些特性，因此在很多无法使用陶瓷电容的电路上钽电容被广泛采用。目前全球主要有以下几个品牌的钽电容：AVX、KEMET、VISHAY、NEC，其中AVX和VISHAY的产量最大，而且质量最好。 虽然是个简单的概念，不过一写成洋文，就变得不容易理解了。 ESR，是Equivalent Series Resistance三个单词的缩写，翻译过来就是“等效串

2、连电阻”。 理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串连在一起，所以就起了个名字叫做“等效串连电阻”。 ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。 比如，我们认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。但是有了ESR，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的，这会降低电容的滤波效果，所以很多高质量的电源啦一类的，都使用低ESR的电容器。 同样的，在振荡电路等场合，ESR也会引起电

3、路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。 所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。 不过事情也有例外，有些时候，这个ESR也被用来做一些有用的事情。 比如在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候，太低的ESR反而会降低整体性能。 ESR是等效“串连”电阻，意味着，将两个电容串连，会增大这个数值，而并联则

4、会减少之。 实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵，所以很多开关电源采取的并联的策略，用多个ESR相对高的铝电解并联，形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少，很多时候都是划算的。 ESL，也就是等效串联电感。早期的卷制电容经常有很高的ESL，而且容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串连谐振等。但是相对容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。 顺便，电容也存在一个和电感类

5、似的品质系数Q，这个系数反比于ESR，并且和频率相关，也比较少使用。 由ESR引发的电路故障通常很难检测，而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是，在仿真的时候，如果无法选择电容的具体参数，可以尝试在电容上人为串连一个小电阻来模拟ESR的影响，通常的，钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。教您如何来正确的选择滤波电容 滤波电容在开关电源中起着非常重要的作用，如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员都十分关心的问题。 50Hz工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100Hz，充

6、放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万F，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数十kHz，甚至是数十MHz，这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。普通的低频电解电容器在10kHz左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作

7、为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。由于四端电容具有良好的高频特性，为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯的形式，即将铝箔分成较短的若干段，用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成份。并且采用低电阻率的材料作为引出端子，提高了电容器承受大电流的能力。各种自动控制的电路中，微控制器被广泛的应用。微控制器的时钟电路，采用方波而不是正弦波。方波比正弦波含有更高的高频成分，引起的电磁干扰噪声频率，相当于时钟频

8、率的倍。噪声中还含有更高的频率成分。在频率很高时，对电容来说，它的寄生电感不容忽视；对电感来说，它的分布电容会起作用；对电阻来说，它存在着对高频信号的反射；对印刷板上的引线来说，它的分布电感不容忽视，而且长的引线还表现出天线的特征，将高频噪声信号发射出去。焊接印刷线路板的元件时，如果电阻、电容、三极管的引脚过长，这些长的引脚恰好成了高频信号的天线。特别是信号引出线，如果该信号引出线的长度达到高频信号波长的1/20，噪声信号就会发射出去了。例如，对于100的噪声信号，长度是3cm，15cm的引线就是它的发射天线。去除这些高频噪声干扰的办法是加退耦电容或高频旁路电容。好的高频退耦电容可以去除高至1

9、GHz的高频成分，陶瓷片电容或多层陶瓷电容高频特性比较好，如常用的25U系列。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源和地之间都要加一个退耦电容。 这个退耦电容有两个作用：一方面是充当本集成电路的储能电容，提供和吸收该电路开路、关断瞬间的充、放电能量；另一方面是旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的退耦电容是0.1。而这种电容由于本身结构的特点以及有一段引脚，免不了有分布电感。这个分布电感的典型值是。分布电感的退耦电容，并联共振频率大约在左右。也就是说，它对以下的噪声有较好的退耦作用；但对以上的噪声几乎不起作用。 1nF、10nF的电容，并联共振频率在20以上，用来去除高频噪声效果更好些。在电源

10、进入印刷板的地方加一个或的退耦电容往往是有利的。即使是电池供电系统，也需要这种电容。 每10片左右集成电路加一支充放电电容，或称储能电容，其电容值可选左右。最好使用钽电容或聚碳酸酯电容，不要用电解电容，因为电解电容是用两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。 退耦电容值的选取并不严格，可按选用，即10取0.1；100取0.01；对微控制器构成的系统，取0.10.01都可以。 特别应注意的是，在焊接时退耦电容的引脚要尽量的短。长的引脚会使退耦电容本身发生自共振。根据电容的静电容量和外形尺寸，大致可以将电容分成以下几类：大尺寸、大容量的铝电解电容，小尺寸、小容量的多层陶瓷电容(MLC

11、C)和薄膜电容，以及尺寸和体积处于前两者之间的钽电容和导电性高分子电容。由于MLCC正在继续缩小体积并增大电容量，因此其应用领域也在不断扩大。 MLCC取代的是静电容量为几u,F几百uF的钽电容和导电性高分子电容。他们大部分是用于去耦合(旁通)、平滑或起辅助性质的电容(见图1)。比如，在去除电源线上负载中不需要的交流信号时，MLCC以前只是用于去除1MHz以上的高频信号。现在，由于静电容量的增加，之前由钽电容和导电性高分子电容负责的去除频率更低的噪声(几百kHz左右)任务也改由MLCC完成(见图2)。 同时，为了和MLCC展开竞争，导电性高分子电容的性能也在不断加强。通过对材料和内部结构等方面

12、的改进，实现降低阻抗及增大单位体积静电容量的目的。其目标是将静电容量提高到1000gF以上，这样就能够用一个导电性高分子电容 图3低ESL电容产品相继问世 许多生产厂家一起采取措施降低ESL的原因之一，是开关电源正在提高频率向1MHz4MHz发展。于是，电源线上需要去除的纹波电流的频率也提高到1MHz左右，必须提高电容在高频频带中去除噪声的性能。另外，随着电路驱动电压的下降，对于电源电压的稳定性要求更加严格也是原因之一。用于减少ESL的方法有几种。第一，除去引线框架将电容器元件直接连接到外部引脚上，以缩短电容器内部的连接路径，如图(a)所示。第二，缩短外部引脚之间的距离，以缩短电流从阳极向阴极

13、流动的途径，见图(b)。第三，在电容器内部叠加电极时，改变所连接引脚的方向以抵消电流流动时发生的磁场，从而减少ESL，见图(c)。关于(a)和(b)两种方法，在内部结构类似的钽电容或铌氧电容中也可以采来替代若干个MLCC或其它电容。另外，为了避免采用MLCC会引起的压电效应等问题，有的应用中改用了钽电容。 用小型化实现低价格 一般认为，几llF的大容量MLCC产品存在价格昂贵的问题。但有些MLCC生产厂商指出，由于单位体积的电容量在不断增大，外形尺寸为20mm X 125mm X125mm(2012尺寸)或16 mm X08mm X 08mm(1608尺寸)的MLCC的价格有可能可以同低成本的

14、铝电解电容相当。当切割多层的大陶瓷片制造MLCC时，每个MLCC的外形尺寸越小，其制造成本就越低。 另外，MLCC主要应用于便携式设备，所采用的都是2012尺寸以下的产品，这些产品很容易获得规模生产的成本优势。京瓷公司解释说：“以10uF的产品作比较，虽然MLCC的价格比铝电解电容高出几倍，但却低于其他的导电性高分子电容和钽电容等。”使用2012尺寸可以覆盖到47uF，使用1608尺寸可以覆盖到10laf。实际上，这两种尺寸的10uf产品，作为电源芯片输入输出端的平滑电容得到了广泛应用，其价格也正在下降。 22uF以上容量产品的价格，因为电容的种类不同而差别很大。按照钽电容、MLCC、导电性高

15、分子电容的顺序，价格逐步升高。京瓷公司推出了使用低成本材料铌(Nb)的铌氧(NbO)电容Ox汇叩，目标是取代其他电容。47皿F和100，LF的铌氧电容，虽然外形尺寸大于MLCC，但价格仅相当于MLCC的12左右。 图4MLCC的瓶颈是DC偏置电压特性 在MLCC中，存在看施加直流电压时电容量下降的问题。随着单位体积静电容量的增大，直流电压导致的电容量变化日益显著。一些有关厂家认为，DC偏置电压特性的问题并不在于电容量减少这一现象本身，而在于缺乏评估电容量减少程度的标准。因此，村田制作所、日本T D K公司和京瓷公司公布了其产品的DC偏置电压特性。 灵活应用低阻抗特点 虽然MLCC的电容量在不断

16、增大，但在目前10gF以上容量的电容产品中，外形尺寸与其他电容基本相同的MLCC的价格仍然较高。因此，有关人士认为，100uF以上的大容量MLCC暂时还不会普及。 但MLCC生产厂家声称，在几十gF-100gF的大容量产品中，可能有些铝电解电容会被MLCC所取代。对于为了去除交流信号的噪声而使用的去耦合或者平滑电容来说，灵活应用MLCC的低阻抗特点就有可能使用电容量较低的MLCC替代原来的铝电解电容。 MLCC的阻抗在自谐振频率处最小，一般小于10nLQ，阻抗特别小的则在1mn以下。电容的阻抗越小，其去除噪声的性能越高。但由于PCB板上也存在着阻抗，因此，一味降低电容的阻抗并没有意义。Inte

17、l在2006年1月推出的微处理器“CoreDuo和“CoreSolo”要求电容的阻抗小于15mq。铝电解电容的阻抗在自谐振频率处为几十mn几n，阻抗较高。导电性高分子电容也有10mr2-几十mn左右。 在使用阻抗较大的电容时，为了减小其在低频频带中的阻抗，通常选择静电容量大的产品。如果改用阻抗较小的MLCC，选用静电容量为原来14-12的MLCC一般就能实现与原来相同的去噪性能。 在某些情况下还可以替换成静电容量不到原来110的小容量MLCC。太阳诱电公司把电视机图像处理板上安装的33gF、47gF、100LlF的铝电解电容均替换成22gF的MLCC，并使用示波器观察信号的波形。结果表明，去噪

18、性能与之前相比几乎没有变化。 采用低阻抗MLCC还可以减少电容的使用数量。例如，可以用1个47gF的MLCC代替1个用于低频的22gF铝电解电容或钽电容和1个用于高频的01gF MLCC的组合。这样不仅可以改用更小型的元器件，而且，如果所使用的MLCC电容量是原来的14或是小于10gF，则其成本同使用铝电解电容时相当。 避免裂纹以进军车载市场 有时，MLCC会因为陶瓷出现裂纹而导致电容短路。在车载设备中，为了确保安全性，往往要求出现故障时应处于电源断开的状态，而不能是电源接通的状态。 日本TDK公司推出的MegaCap产品在2个引脚上安装了L型金属框架，将电容器浮置于PCB板上以缓和应力。该公

19、司将5750尺寸(57mmX 50mmX 50mm)的电容安装在长度为100mm的PCB板上进行了试验。试验结果表明，以前的产品在PCB板的翘曲高度达到2mm-3mm时就出现裂纹，但Mega Cap直到10mm时都没有出现裂纹。 村田制作所推出树脂电极产品，在铜电极或银电极和镍锌镀层之间增加了导电性树脂层，预定在2007年开始大批量生产。在这种结构中，如果遇到弱应力，导电性树脂可以起到缓冲作用；如果是难以缓冲的强应力，裂纹将出现在树脂电极的周围导致焊锡脱落。 也可以用于高频 钽电容等电容量为几ixF-10ltV的产品正在努力降低阻抗，以重新和MLCC竞争。导电性高分子电容可以说是钽电容或者铝电

20、解电容的改进产品，为了降低阻抗中的等效串联电阻(ESR)分量，在阴极中采用了电导率(导电性)很高的导电性高分子。有些产品的ESR已经突破了lOmf2，并且静电容ESR比也大体上和MLCC相同。但是，在电容量相同的情况下，MLCC的体积比导电性高分子电容小。并且，当电容量小于10gF时，MLCC的价格也较低。 MLCC的阻抗在高频领域特别小，能够有效去除1MHz以上的噪声。为了应对这种情况，试图发挥大电容量的优势、取代大量MLCC的导电性高分子电容已经问世。 NECTokin公司推出的产品Proadlizer是采用3引脚结构的叠层型导电性高分子铝电解电容。这种电容在高频领域中的阻抗取决于等效串联

21、电感(ESL)。在3引脚结构的电容内，信号电流在电极中流动。由于电容和电源线之间的距离缩短，引线电感得以降低。Proadlizer的ESL为lpH，比一般的MLCC小3个数量级。Proadlizer这个名称由Pr。mpt(迅速的)、Broadband(宽带)、Stabilizer(稳定器)3个词组合而成。 如果是静电容量高达1000gF的导电性高分子电容，只用一个就完全可以替代PC机主板上安装在微处理器周围的全部电容。在NECTokin公司试制的笔记本电脑样机中，就只用1个电容量1000gF的Proadlizer替换了总共39个电容(4个220gF的导电性高分子电容和35个10vF的MLCC)

22、。在替代30个-40个电容时，总体成本相当。据估计，如果实现大批量生产，在1、2年后价格将会比现在便宜20左右。现在，日本Nichicon公司也在开发同样的产品。 简化不需要的引线框架 除了3引脚结构以外，还有其它方法也可以减少ESL(见图3)。三洋电机公司推出的导电性高分子钽电容POSCAP的低ESL产品“TPL系列”简化了引线框架并缩短了电极之间的距离，从而将ESL控制在600pH-800pH。如果在PC机的微处理器电源电路中同时使用TPL和MLCC，就可以将安装微处理器的插座内的MLCC减少到以前的23。另外，日本松下电子元器件公司推出的叠层型导电性高分子铝电解电容SP-Cap的“L系列

23、则将ESL控制在了600pH。 封装后，MLCC的ESL本来就比其他电容器小，现在还可以采取措施进一步降低ESL(见图4c)。日本TDK公司产品的ESL值因引脚数量而不同，在已上市的低ESL产品中，有的产品的电感量仅为32pH。这一数值还不到普通MLCC产品的110，但大于Proadlizer，小于一般的导电性高分子电容。 突破MLCC的弱点 MLCC面临的问题是，在电容上施加直流偏置电压时静电容量会发生变化(见图4)。 在使用lgF以下的MLCC去除1MHz以上的高频噪声时，因为静电容量小，所以其下降得很少。尽管DC偏置电压特性恶化，在电路上也不会出现问题。但是，在使用lOgF以上的大电容量

24、产品时，施加直流电压时静电容量将下降10-70以上。 例如，在便携式设备液晶显示屏的背光灯电源电路中，使用MLCC作为去耦电容时，同额定电压相比其余量很少，不能充分确保标称电容量。所以必须采用电容量更大的电容，否则，电容量不足，就难以获得足够的显示亮度。 液晶显示屏还有一个问题需要解决：安装液晶驱动器的PCB板会发出响声。这是陶瓷的压电效应所造成的，而小型液晶显示屏很容易形成共振，柔性PCB板或者液晶显示屏本身形成共振就发出响声。这种情况在其它的设备里也可能发生。 Nichicon公司推出单位体积静电容量很大的钽电容，用于取代MLCC。这种电容为了增加静电容量，不仅简化了内部布线，也简化了模塑

25、树脂等。该公司的钽电容“MUSEF95”被便携式音乐播放器的耳机作为耦合电容采用。据介绍说，当初该耦合电容采用的是MLCC，但由于出现低音音域失真的问题而被替换。 在消费类电子产品系统中，体积越来越小，器件摆放越来越密，模拟、数字部分已很难通过布局有效分开，系统设计工程师往往在电源网络中使用很多电容，衰减高频数字噪声，期望能“净化”电源，减少对模拟电路的干扰。 在电压调整器中，在输入、输出端通常都各有一只电容，跨接在输入、输出管脚和地(GND)之间。输入电容的主要作用是滤除交流噪声，抑制输入端的电压变化。而输出电容的作用，除了构成反馈环路的一部分之外(增加一个额外的零点，当然不可避免的也要带来

26、一个极点，提高环路的相位裕量)，还可以抑制由于负载电流或者输入电压瞬变引起的输出电压变化。从某种角度来说，滤除交流噪声与抑制电压突变在本质上是一回事，那就是去除交流信号。 电容的特性 不同介质种类的电容，其自身特性相差甚远。在描述电容的特性之前，我们需要了解以下几个参数： 电阻符号R，是指通过导体的直流电压与电流之比，单位为欧姆。 电抗符号X，是交流电路中由电感和电容引起的阻抗部分，包括感抗(XL)和容抗(XC)，单位为欧姆。 阻抗符号Z，是一个复合参数，实部为电阻，虚部为电抗，单位为欧姆，所以阻抗也可以表示为：Z=R jX。 电导符号G，是指通过导体的直流电流与电压之比，电阻的倒数，单位为西

27、门子。 电纳符号B，是导纳的虚数部分，包括容纳(BC)和感纳(BL)，单位为西门子。 导纳符号Y，是阻抗Z的倒数，也是一个复合参数，实部为电导，虚部为电纳，单位为西门子，也可以表示为：Y=G jB 导纳Y通常表示的是器件并联的情况，而阻抗Z表示的则是器件串联的情况，见图1。 其中， 图1：阻抗与导纳的表示方法。 所以对于串联的器件组合，如果0，则说明器件两端有感性，越接近90，感性越强，当=90时，为纯感性器件。同样800k，失去容性，呈现弱感性。表3则是Taiyoyuden贴片多层陶瓷电容16V/1uF、16V/0.1uF的测试数据。所以以上两颗电容在1MHz频率以内，都保持较高得Q值，呈现

28、出良好得容性特征。 表3：多层陶瓷电容测试数据测试条件：Vbias=0V，Vac=1.0V。电容的并联效果 既然实际的电容特性与理想电容有一定的差距，那么接在输入、输出端的滤波电容到底产生了什么样的作用呢？有的应用手册上给出，使用两颗电容并联到GND，一颗容值较大的电解电容，另一颗是容值较小的陶瓷电容，比如C1=10uF，C2=0.1uF，为了研究并联的交流特性，加入一只电阻R0，等效成如下电路，交流特性的影响是由两只电容引起的，如图4所示。 图3：多层陶瓷电容的等效电路。 图4：两只电容并联的交流等效电路。 其中R0为信号源内阻，R1为电容C1的等效串联电阻，R2为电容C2的等效串联电阻。传

29、输函数可以表示成下式， 从上式不难看出，系统包括两个极点，两个零点。 摘要：分析了开关电容滤波器的“共振”现象及其产生机理。针对该现象提出了解决办法，并结合信号处理仪器系统给出了采用MAX293制作抗混滤波器的方案。 关键词：开关电容滤波器 “共振”现象 抗混 编程在信号处理仪器的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件。根据信号分的的要 求，抗混滤波器的截止频率范围控制在10Hz20kHz。为了提高信号的频率分辨率，要求抗混滤波器的带宽是可变的。比如要分析100Hz以内的信号特征，该低通滤波器的带宽最好选为100Hz。设计时，按1、2、4、5倍乘的原则，将20kHz频率范围分成14档不同带宽来处理

30、。若采用一般的模拟低通滤波器必须电路繁复、换档不便、体积太大、不甚实用。用集成开关电容滤波器发展很快，生产公司不少，器件目前已系列化。它改变截止频率非常方便，只要程近不同的采样频率即可。因此，选择8阶开关电容椭圆低通滤波器MAX293作抗混滤波器用。理论上8阶低通滤波器适合于制作抗混滤波器，其截止频率后的衰减为160dB/10倍频，由文献（1）可知，如截止频率为1kHz，则到1.5kHz处，信号衰减了80dB1，接近理想的低通滤波器，这是由椭圆滤波的特点所决定的。实测的滤特图（幅频特性）也有相似结果。但在试制过程中，发现该滤波器有“共振”现象，以下就此现象试作分析。1 开关电容滤波器的“共振”

31、现象在用NW1232低频频率特性测试MAX293的幅频特性时，发现屏幕上除了预期的幅频特性之外，在采样频率及其整数倍的频率处具有窄带通形状的峰值，其高度达到甚至超过了前面幅频特性平坦部分的最大值。也就是说，当输入信号频率等于采样频率或为采样频率的整数倍时，出现了这一现象。此现象从未见文献报导过，暂时称之为“共振”现象，如在使用中对其不加处理，则将严重干扰有用信号。为了弄清原因，重复作了试验。采取自动扫描、手动扫描、变采样频率后扫描等方法，该现象始终如期而至。为了滤去该“高频干扰”，在MAX293电路之后，接上模拟低通滤波器。然而不管接二除低通还是四阶低通模拟滤波器，其输出仍然存在该“干扰”，而且幅值无任何减小。2 “共振”现象的解释用模拟低通滤波器做实验，当然不存在此现象。因此，原因必然在于具有采样环节的开关电容上。在开关电容滤波器中，当开关频率（即采样频率、时钟频率）大大于信号频率时（文献（2）指出，一般要大于20倍），开关电容等效于模拟阻容滤波器中的电阻，可推导出，其等效电阻R=1/（Cfc），其中C为电容，fc为开关滤波3。通过分析得到，当信号频率和采频率同频时，就会出现如图1所示的现象。图中输入信号vi为正弦波（方波也一样），1、2为同频采样信号。在相位适当的时候（如图1所示），开关电容滤波器的电容上将出现输入信号的峰值。相位的不同，采样到的值也不同