鉭電容器的陽(yáng)極選擇

開(kāi)關(guān)式電源，微處理器和數字電路應用的一個(gè)共同趨勢是降低高頻工作時(shí)的噪聲。為了做到這一點(diǎn)，元器件必須具備低ESR（電阻率）、高電容和高可靠性。

鉭電容器陽(yáng)極的總體表面積，特別是其表面積與體積比，是確定其ESR值的關(guān)鍵參數之一，總表面積越大，ESR值越大。使用多陽(yáng)極是大幅降低鉭電容器ESR值的其中一種方法，其做法是在一個(gè)電容體中使用多個(gè)相同的電極材料。

傳統的做法
在高壽命和高可靠性應用中，二氧化錳電板極常規鉭電容器仍然是一個(gè)普遍的選擇。二氧化錳技術(shù)能提供極好的場(chǎng)性能和環(huán)境穩定性以及在很寬的電壓范圍如2.5～50V內提供高電阻率和熱阻率，器件設計的運行溫度在125℃以上。然而，與聚合物鉭電容器相比，二氧化錳電極系統較高的ESR是一個(gè)缺點(diǎn)。

陽(yáng)極選擇
單一陽(yáng)極技術(shù)成為標準通用型選擇是由于其出色的性?xún)r(jià)比。多陽(yáng)極設計可提供更低的ESR值，但其缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本要高于單陽(yáng)極解決方案。

使用標準的芯片集成工藝的槽式陽(yáng)極設計是低ESR與低成本折中的一種結果。因此，槽式設計通常用于價(jià)格敏感同時(shí)要求低ESR的設計，而多陽(yáng)極技術(shù)適合用于既要求低ESR更要求高可靠性的應用中，如電信基礎設施、網(wǎng)絡(luò )、服務(wù)器和軍事/航空航天等應用。

除了上述差異，多陽(yáng)極的概念有另兩處優(yōu)勢。

(1)多陽(yáng)極設計具有更好的散熱性能，這意味著(zhù)多陽(yáng)極電容可以承載更高的持續電流；同理，多陽(yáng)極電容對抗電流浪涌危害的能力也更強。

(2)相較于單一的陽(yáng)極，多陽(yáng)極電容的單位容積效率較低，這導致了一種假設，認為多陽(yáng)極不能達到與單一陽(yáng)極一樣的CV（定電壓因素）。事實(shí)上，薄的陽(yáng)極實(shí)現起來(lái)更容易，并且更易被第二個(gè)二氧化錳電極系統穿透，使更高的CV得以利用，因此，多陽(yáng)極電容器能達到同樣甚至更高的CV水平。

常見(jiàn)多陽(yáng)極類(lèi)型
當今市場(chǎng)上常用的鉭多陽(yáng)極通常采用縱向排列3～5個(gè)陽(yáng)極于一個(gè)電容體內的方法實(shí)現，如圖1所示。這實(shí)際是從制造的角度來(lái)看的，如果從ESR的角度，此解決辦法則不如橫向布局，橫向布局中更薄的平板陽(yáng)極有望進(jìn)一步減小ESR。

圖1 多陽(yáng)極裝置在一個(gè)電容器體中使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的陽(yáng)極

新的多陽(yáng)極裝置多陽(yáng)極設計的費用隨其陽(yáng)極個(gè)數增長(cháng)而成倍增長(cháng)。目前大多數設計中使用的三陽(yáng)極設計已接近成本與ESR的最佳優(yōu)化比。

縱向設計的結構中，一個(gè)陽(yáng)極通過(guò)電極銀膠環(huán)氧樹(shù)脂連接到第二個(gè)，再到另一個(gè)電極引線(xiàn)框。同樣的做法被使用于標準的單陽(yáng)極電容中，因此其制造技術(shù)與舊有的類(lèi)似，無(wú)須為多陽(yáng)極設計的新技術(shù)環(huán)節追加很多額外投資。

另一方面，橫向設計需要為陽(yáng)極之間的連接產(chǎn)生新的解決方法，這直接導致了代價(jià)高昂的技術(shù)修改。因此，迄今為止這種設計并沒(méi)有被用于單一多陽(yáng)極電容的批量生產(chǎn)。橫向的設計更經(jīng)常使用于一些特殊應用中，方式是通過(guò)焊接或跳汰系統，將兩個(gè)或兩個(gè)以上完整的電容器疊加到陣列或模塊中。

橫向和縱向結構兩者ESR性能之間的差異如圖2所示。這個(gè)例子是基于對D類(lèi)電容器的理論計算，圖2表明，兩陽(yáng)極橫向結構與三陽(yáng)極系統的縱向結構的ESR值相似。然而，相對而言橫向結構在ESR上性?xún)r(jià)比優(yōu)勢更顯著(zhù)。

圖2 橫向和縱向結構性能表現相似，成本成為決定因素

相比橫向結構，縱向設計在縮減高度上受限制更大，目前的電容器高度一般在3.5～4.5mm。今天，這一因素更顯重要，甚至在有如電信基礎設施、軍事等應用中，電子產(chǎn)品的小型化也正成為一個(gè)考驗，這在過(guò)去是不曾有的。

利用兩個(gè)陽(yáng)極橫向“鏡像”結構，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新型的多陽(yáng)極結構。鏡像結構使用改良的引線(xiàn)框形狀，引線(xiàn)框定位于兩陽(yáng)極中間。這種結構解決了電極橫向排列的連接問(wèn)題，并使工藝改裝費用下降到了可接受的水平。

兩陽(yáng)極鏡像設計的ESR性能稍遜色于三陽(yáng)極縱向結構的效果，但它制造起來(lái)更便宜。鏡像設計的主要好處在于，它使多陽(yáng)極電容器的高度減小，最低下降到3.1mm。

利用鏡像設計的其他優(yōu)點(diǎn)是，其對稱(chēng)的布局有助于減少自感（ESL）。對稱(chēng)的結構對電感回路作了部分補償，有利于將ESL降低至采用經(jīng)典引線(xiàn)框設計的方案之下。

一個(gè)D類(lèi)單陽(yáng)極設計的ESL值為2.4nH，典型值為2.1nH左右。鏡像設計的ESL值約1nH為常規設計的一半。這會(huì )將鏡像多陽(yáng)極的共振頻率升至更高值，如圖3所示。

圖3 鏡像設計的性能（a）顯示出其電容隨頻率下降值低于單陽(yáng)極解決方案，并且其（b）ESR值也是如此

鏡像結構如果使用更薄的陽(yáng)極，電容將隨頻率下降至更低。鏡像設計的共振頻率改變，其原因是目前一般的 DC/DC轉換器其開(kāi)關(guān)頻率的工作范圍（250～500kH）會(huì )因降低ESL而顯著(zhù)升高。

鏡像設計的另一個(gè)好處是改善了其散熱性能如圖4所示，紋波電流在陽(yáng)極產(chǎn)生的熱量通過(guò)PCB板上的引線(xiàn)和鉭絲得以發(fā)散冷卻。

圖4 鏡像設計（a）相比單陽(yáng)極器件功耗改善

因此，盡管單陽(yáng)極D類(lèi)電容可連續散熱只有150mW，但類(lèi)似尺寸的鏡像結構電容可以處理255mW。鏡像橫向型多陽(yáng)極電容器目前可達到的電容值為220～1000μF，電壓為2.5～10V，ESR值為25～35mΩ。未來(lái)的發(fā)展將進(jìn)一步擴展電壓范圍至35和50V，這將使電容器在設計高度日趨重要的電信新應用中非常具吸引力。單個(gè)35～50V電容在 3.1mm的最大高度內擁有10～22μF的電容量，65～140mΩ的ESR值，這是其他任何技術(shù)都難以企及的。