<{配资之家}>高频低阻铝电解电容器：阻抗值成关键指标及芯子结构剖析
高频低阻铝电解电容器在高频下的阻抗值大小，是这类电容的主要电性能指标，在电子产品使用过程中时常发生因铝电解电容器阻抗偏高，在高频下抗纹波能力差，出现铝电解电容器提前失效现象。为提高铝电解电容的抗纹波能力，在铝电解电容的制造过程一般是要想办法降低铝电解电容的阻抗值。
一、铝电解电容器的芯子结构及阻抗构成
1. 铝电解电容器的芯子结构
铝电解电容器的芯子结构主要组成部分有：正极导针、负极导针、正极箔、负极箔、电解纸、电解液；如下图1所示：
图1 芯子结构
铝电解电容器的正极是正极箔，箔表面经过化成工艺产生一层铝的氧化物Al2O3，通过正极导针引出；铝电解电容器真正的负极是电解液，为了便于与外部电路连接，故通过一层负极箔由负极导针引出。
为了避免铝电解电容器内部正极和负极直接接触造成短路，正极箔和负极箔之间夹了一层电解纸，电解纸主要起到吸附电解液和隔离作用。
2. 铝电解电容器的阻抗构成
为了研究铝电解电容器的阻抗，先来看一下铝电解电容器的内部等效电路：
图2 铝电解电容器的内部等效电路
从图2可看出，铝电解电容器的内部除了电容以外还存在等效串联电阻、寄生电感。其中等效串联电阻主要由以下几部分产生：引线电阻、刺铆接触电阻、金属氧化膜介质电阻、电解液电阻、电解纸电阻等。等效串联电阻带来的阻抗值加上寄生电感产生的感抗值（主要在高频条件下体现）共同组成了整个铝电解电容器的阻抗值。
铝电解电容器接入电路以后，如果阻抗值较大，产品的损耗角正切值tan就较大，则电容器的有效电容量就降低，电容器就会严重发热，最后导致电解液干涸，电容器失效。
二、铝电解电容器的低阻抗设计对策
为了降低铝电解电容器的阻抗值，就必须降低等效串联电阻和寄生电感。
1. 等效串联电阻
1.1 引线电阻
铝电解电容器的引线如下图3所示，它由铝线（部分被压成引线舌片）与镀锡铜包钢（CP线）对焊而成：
图3 引线
引线电阻主要来源于铝线与镀锡铜包钢线的焊接带来的接触电阻，需要采用高纯度高品质的铝材，保证引线的镀锡、镀铜工艺，以提高对焊质量，来降低整条引线的电阻。
1.2 刺铆接触电阻
刺铆接触电阻指的是引线舌片与正极箔、负极箔铆接时产生的接触电阻，铆接部位细节如下图4：
图4 铆接结构
由于高频低阻电容器多采用高电导率电解液，含水量较大，容易发生水合作用，刺铆工艺控制不好，引线舌片和电极箔之间存在较大间隙，如下图5，接触面积较小，接触电阻就大，同时含浸时电解液渗入空隙处进一步加剧接触电阻变大，对等效串联电阻影响非常大，故各电容生产厂家对刺铆工序要求非常严格，均将该工序列为关键质控点。
图5 改善前刺铆工艺
为了降低刺铆工序带来的接触电阻，需要增加预冲孔工序，如下图6所示，在引线与电极箔铆接之前，在电极箔上预冲孔，这样穿刺并铆压后，引线舌片的花瓣紧贴电极箔，两者接触面积大，贴合严实，不存在可见间隙，这样便可将铆接接触电阻稳定控制在较小的水平上。同时适当的增加刺铆点数也可有效的降低接触电阻。
图6 增加预冲孔后的刺铆工艺
1.3 金属氧化膜介质电阻
金属氧化膜介质电阻是指铝箔表面形成的金属氧化膜本身带来的等效串联电阻，主要与化成箔工艺、铝箔材料有关，需要化成箔生产厂家努力降低铝箔表面金属化氧化膜介质损耗，来达到降低等效串联电阻的目的。同时在选择铝箔尺寸时，为了获得电容器的低阻抗值，应尽量选择宽而短的铝箔，也就是卷绕以后芯包尽量细而长，设计选型时也尽量避免选择矮而胖的铝电解电容。
1.4 电解液电阻
电解液电阻是工作电解液带来的等效串联电阻。降低电解液的电阻率均是通过提高电解液的电导率来实现，但是电导率与电解液闪火电压是成反比的，因此如何做到在保证必需的闪火电压的前提下尽可能使工作电解液具有更低的电导率，一直以来都是各电容器生产厂家深入研究的课题，而且电解液的调解配方一直是各厂家的核心商业机密。
1.5 电解纸电阻
电解纸会产生一部分阻抗，选用密度低，厚度更薄、渗透性好的纤维材质做成的电解纸能有效降低电解纸电阻。
2. 感抗
电感是由电流流过电极箔、引线时产生的，铝电解电容器的感抗主要来源于引线的电感和芯包卷绕产生的寄生电感，尤其在高频条件下，感抗占主导地位。
对于引线式铝电解电容器，选择短而粗的引线能有效降低感抗值；芯包卷绕应该尽量保证卷绕圈数越少，则寄生电感就越小，因此矮而胖结构的铝电解电容除了铆接点数少导致等效接触电阻偏大以外，圈数太多，高频寄生电感太大也会导致铝电解电容器整体阻抗值变大。因此设计选型时在考虑电源板尺寸限高的同时，也一定要注意兼顾铝电解电容器的阻抗值特性，高频滤波部分优选结构细而长的铝电解电容。
三、优选高频低阻电解对电源设计的意义
众所周知，随着电子行业的不断更新换代，电源作为不可或缺的组成部分，为电子设备小型轻便化作出不可磨灭的贡献。而电源不断的小型化、轻量化和高效率，滤波电容作为电源的重要组成元器件，在小型大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿等方面的提高则责无旁贷。
所以电源设计时优选体积小、高可靠性长寿命的高频低阻电解对适应高密度组装减小电源体积、提高电源效率有重大意义。
而如何才能优选出体积小、高可靠性长寿命的高频低阻铝电解电容器呢？铝电解电容器的失效模式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效。其中击穿失效又分为介质击穿和热击穿，常见电源上的高频低阻滤波电容的失效模式一般为水合反应失效，所以首先我们从高频低阻电容的最常见的失效模式逆向分析：
1、高频低阻电解电容器水系配方的水合反应失效分析：
很多高频低阻电解电容器常规测试时是正常的，但是在应用时出现大批量的早期失效问题。这就是水合反应。我们知道，常温下纯铝不能与水反应；然而，在高温下，纯铝可以与水发生水合反应。为了满足拼命追求超低ESR的用户要求的大趋势背景下，有些铝电解电容器制造商为了尽可能降低电解液的电阻而增加水的比例，而又无法很好的控制水合反应，这就为铝电解电容器高温条件下的水合反应导致电容失效埋下了隐患。
水合反应会在铝电解电容器的负极箔表面形成电阻率非常高的铝水合物。随着铝水合物的增长负极箔的电阻越来越大，在纹波电流作用下电解电容器的发热就会更加剧烈，最终导致铝电解电容器爆浆。如果是多个电容器并联使用，会出现首先第一个爆浆，不久就是第二个、第三个…（如图1所示）
图1、水合反应导致的电容爆浆
水合反应导致的电容爆浆特点为：
ESR数千倍的增加、电容量丧失殆尽、负极箔比容急剧降低、在显微镜下看会发现负极箔的“孔”基本被堵塞。将电解电容器拆解会看到至少是负极箔与电容器纸相粘连，甚至整个正负极箔与电容器纸相粘连。有些电解电容器制造商回复客户时也说上述问题，但是说是客户使用温度高造成，不会承认是电容器的本身品质问题（如图2所示）。
图2、水合反应失效的产品解剖后发现黏连的铝箔与电解纸
没有发生水合反应的产品解剖情况（如图3所示）：
图3、未发生水合反应的产品解剖后纸、箔未黏连
目前全球能很好解决水合反应的高品质的水系高频低阻铝电解电容器制造厂家仅有 CHEMI-CON、、三家，其他厂家都或多或少存在这样或那样的问题，更让人担忧的是很多表面上有较强实力的厂家，一出此类问题就是涉及几百颗甚至几千万颗的普遍失效。
1、 电容的阻抗频率特性分析：
在开关电源输出端用的滤波电容，与工频电路中选用的滤波电容并不一样，在工频电路中用作滤波的普通电解电容器，其上的脉动电压频率仅有100Hz，充放电时间是毫秒数量级，为获得较小的脉动系数，需要的电容量高达数十万微法，因而一般低频用普通铝电解电容器制造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。在开关稳压电源中作为输出滤波用的电解电容器，由于大多数的开关电源工作在方波或矩形波的状态，含有及其丰富的高次谐波电压与电流，其上锯齿波电压的频率高达数十千赫，甚至数十兆赫，它的要求和低频应用时不同，电容量并不是主要指标，衡量它好坏的则是它的阻抗频率特性（如图4所示）。
图4、高频低阻电解的频率特性曲线
由图可知，随着频率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并相互抵消时的频率为铝电解电容器的谐振频率，这时的阻抗最低，仅剩下ESR。如果ESR为零，则这时的阻抗也为零；频率继续上升，感抗开始大于容抗，当感抗接近于ESR时，阻抗频率特性开始上升，呈感性，从这个频率开始以上的频率下电容器时间上就是一个电感。由于制造工艺的原因，电容量越大，寄生电感也越大，谐振频率也越低，电容器呈感性的频率也越低。这就要求它在开关稳压电源的工作频段内要有低的等效阻抗，同时，对于电源内部，由于半导体器件开始工作所产生高达数百千赫的尖峰噪声，亦能有良好的滤波作用，一般低频用普通电解电容器在10kHz左右，其阻抗便开始呈现感性，无法满足开关电源使用要求。
用于开关稳压电源输出整流的电解电容器，要求其阻抗频率特性在甚至时仍不呈现上升趋势。电解电容器ESR较低，能有效地滤除开关稳压电源中的高频纹波和尖峰电压。而普通电解电容器在后就开始呈现上升趋势，用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。实验中我发现，普通CDII型中4700μF,16V电解电容器，用于开关电源输出滤波的纹波与尖峰并不比型4700μF,16V高频电解电容器的低，同时普通电解电容器温升相对较高。当负载为突变情况时，用普通电解电容器的瞬态响应远不如高频电解电容器。开关电源为了高效率而提高了工作频率的高频化，特别是小型高输出开关电源中输入滤波用电容器要求高纹波性，输出端低阻抗化。要使输出滤波用电容器在高频下低阻抗化，必须降低等效串联电阻。
3、水系电解电容器的耐纹波电流能力分析：
影响电解电容器性能的最主要的参数之一就是纹波电流问题。纹波电流对铝电解电容器的影响主要是在ESR上产生功耗使铝电解电容器发热，进而缩短使用寿命。纹波电流在ESR上产生的损耗与纹波电流有效值的平方成正比，因而随着纹波电流的增加，小时寿命曲线类似于抛物线函数曲线。降低纹波电流的方法可以采用较大容量的铝电解电容器，毕竟大容量铝电解电容器可承受的纹波电流比小容量的铝电解电容器大；也可以采用多只小容量铝电解电容器的并联方式；就平板电视来说，同等容量条件下，为了能承受大电流，就需要进一步降低电容的ESR。其原因是，在数字设备中，随着功能的增加，电路的电流有越来越大的趋势。对于在液晶电视中进行MPEG编解码工作的图像处理电路来说，2006年一块芯片中电源电路的电流约为3A。据有关人士预测称，为了应对全H D (全高清等要求而增大电路的规模以后，芯片中的电流将增加到5A 左右，而且在2008 年前后将会达到8A~9A。如果ESR小，则在有大电流流动时，电容输出电压的下降量也小。伴随着电流增大而来的降低ESR的要求，有可能成为推进电容替换进程的主要原因。
作为输入滤波和平滑作用的铝电解电容器，它的质量和可靠性直接影响到电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效，就会导致电源的故障。随着电子设备的小型化，越来越要求电解电容器具有更好的频率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐压性能、无铅化，这也是电解电容器今后的发展方向。而就目前形势来说，可能只能从现有的铝电解电器品牌中多加比较，或许，我们听了供应商太多的赞誉之词，何不换个思路，上网找找批量失效的案例？可能会有提示作用吧。
四、小结
铝电解电容器的内部阻抗值对产品性能影响较大，对整个开关电源滤波效果起到关键作用。降低铝电解电容器的阻抗值需要从原材料、生产工艺、内部结构设计等多方面因素入手。同时电源设计选型时也需重点关注滤波电容的阻抗值参数，选择低阻抗的铝电解电容器才能达到更好的滤波效果。