对铝电解电容器阻抗的研究

时间:2022-06-21 03:31:54

对铝电解电容器阻抗的研究

[摘 要]液晶电视开关电源输入和输出滤波用铝电解电容器均要求低阻抗值,一般选用高频低阻铝电解电容器。而高频低阻铝电解电容器的失效大多因为阻抗偏大引起,本文从铝电解电容器的内部芯包结构、原材料特性、阻抗产生来源、降低阻抗设计进行分析,研究铝电解电容器的低阻抗设计对策。

[关键词]铝电解电容 低阻抗

中图分类号:TH551 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)01-0400-01

一、引言

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。本文是就个人的经验和大家探讨几种通过设计和工艺改善来降低高频低阻电容阻抗的方法,实现小型化大纹波电流。

二、 铝电解电容器的芯子结构及阻抗构成

2.1 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;

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。

2.2 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:

从图1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。

三、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。

3.1 等效串联电阻

3.1.1 引线电阻

铝电解电容器的引线如下图2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:

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。

3.1.2 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。

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。

3.1.3 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。

3.1.4 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。

3.1.5 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。

3.2 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。

四、典型应用案例

为提高电源板机插率,减小PCB面积降低成本,研讨二次滤波高频低阻铝电解电容器由卧式改为立式机插方案。现有35V470uF规格高频低阻铝电解电容器,尺寸为10*20mm,容量再大尺寸只会更大,立式机插后均超过电源板12.5mm限高要求,只能采用卧式插件,为达到可立式机插方案,联合铝电解电容器厂商研讨解决方案,确定选用小型化大纹波高频低阻抗系列产品,具体如下:

4.1 改善措施:

根据上文分析,为了提高铝电解电容器的抑制纹波能力,减小发热量,需要降低高频阻抗,具体措施如下:

1.1 采用高耐热超低阻抗电解液,降低电解液电阻;

1.2 采用低阻抗电解纸,降低电解电阻;

1.3 采用高气密性封口丁基胶胶塞,提高气密性,延长铝电解电容器寿命,提高耐纹波电流;

1.4 同时为了满足限高要求,物料高度控制在12.5mm;

1.5 优化刺铆工艺,降低接触电阻值

4.2 常规参数对比:小型化大纹波35V330uF高频低阻产品,与原35V470uF普通高频低阻产品关键参数对比如下:

35V/330uF小型化高频低阻铝电解电容器,通过电容器材料及工艺上的改善,从以上参数测试可知,阻抗和纹波电流均优于容量更大的35V470uF普通高频低阻产品,同时尺寸10*12.5贴板机插后满足电源板限高要求,达到可立式机插降成本方案。

五、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从原材料、生产工艺、内部结构设计等多方面因素入手,而不能仅仅简单的通过增大电解液含水量来降低阻抗。

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,有效提高电源工作效率。

参考文献

[1] 林学清,洪雪宝 铝电解电容器工程技术 厦门大学出版社

[2] 陈国光,曹婉真 电解电容器 西安交通大学出版社

作者信息:王金川 男 1985年1月 汉 本科

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