Capacitor聚合物铝固体电解电容器：高性能电容解决方案的探讨

引言：近年，用于电子设备的IC，特别是MPU在要求高速化处理的同时，还要求通过降低使用电压，缩短印制电路的间隔来提高集成度。随着新MPU的开发，伴随低电压化的负载电流也在增大。高速大负载变动的负载电流骤变，导致电源线的电压变动，成为MPU误动作的直接原因。

€1.高速备份性能（负载变动用备份电容器）

高速负载变动需要低ESR和容量大的电容器来支持，在低ESR电容器中，聚合物铝固体电解电容拥有相对大容量，因此聚合物铝固体电解电容最适合用作备份电容器。以下将对聚合物铝固体电解电容优越的备份性能与其他电容器的比较评价结果做以说明。利用下式推算所需备份用电容器：

其中：

ΔV：AC噪音规格(V)

ΔI：负载变动电流(A)

Δt：负载幅度(S)

C：容量(F)

ESR：等效串联电阻(Ω)

T：周期(S)

如图8-1所示，在同等容量条件下比较电源线的电压变动，相比聚合物铝固体电解电容的104mV，低阻抗电解电容器为548mV（约为OS-CON的5.3倍），低ESR钽电容器为212mV（约为聚合物铝固体电解电容的2倍）。

图8-1：同等容量条件下比较电源线的电压变动

如图8-2所示，低阻抗电解电容器需要使用1500μF以上产品，低ESR钽电容器需要使用220μF×2pcs以上产品才能获取与聚合物铝固体电解电容同等程度的电压变动。

图8-2：同等程度负载变动时的电容器选定

如图8-3所示，在低温条件下比较以上三种电容器，相比聚合物铝固体电解电容的无变化，低阻抗电解电容器的电压变动约为聚合物铝固体电解电容的3.2倍，低ESR钽电容器的电压变动约为聚合物铝固体电解电容的1.2倍。

图8-3：低温（－20℃）条件下比较以上三种电容器

€2.等效电路模型

为了缩短电路设计的时间，可以利用仿真电路来确定所选电容。但是对电压精度要求严格的CPU等，为了追求高准确性，仿真时会考虑印制电路的电阻或电感成分。针对备份用电容器则要求更接近实测特性的仿真模型。

容许纹波电流

传统电源电路通过图8-4所示等效电路来进行仿真。虽然足以达到确认纹波电压或纹波电流的目的，但对于CPU负载变动等要求更高精度的仿真则略显不足，实际电路和仿真结果存在较大差异，这是因为电容器的ESR或容量频率特性未被反映。

图8-4：传统等效电路

等效电路如图8-5所示。通过此等效电路，电容器具备了与测定结果相近的频率特性，并可高度模仿电路实际动作。

图8-5：能够实现高度仿真的等效电路

容量的频率特性

共振点附近无法测量到正常的电容器容量频率特性值。这是因为电容器容量是由阻抗分析仪或LCR计量器等测量仪器施加的电压信号与电流的相位差算出。这一相位差由容量阻抗Zc和电感阻抗ZL的差分来决定。频率低时为“Zc＞ZL”，基本没有电感干扰。但随着频率升高开始受ZL干扰，从共振点附近 (Zc=ZL) 开始，相位差变小或方向发生变动导致无法测量容量（传送门Capacitor-1：电容的模型和参数）。

但是推导出的等效电路可以推测出容量频率特性。即将等效电路的电感全部视为0来计算，就可观察到容量频率特性。计算结果如图8-7所示。电容器的共振点为190kHz，在1/10频率附近开始受ZL的干扰。