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Polymer固态技术会带领钽电容实现“再次起飞”吗?

我们一起探讨polymer固态技术引领钽电容实现“再次飞跃”的可能性。

圈内盆友都知道,在电容家族,钽电容是老四。

钽电容主要应用在军事通讯、航天、工控、影视设备、通讯仪表、固态硬盘、医疗设备等领域。

有刚入行的小朋友说市面上的钽电容有黑钽和黄钽,分不清孰优孰劣。其实是这样的:黄钽是在表面用聚氧树脂包裹而成,而黑钽是开模将钽粉压成型,一般来讲,美系钽电容多为黄色,日系多为黑色,颜色区分跟性能没啥关系。


 

再来,按材料分的话,钽电容分为普通二氧化锰钽电容和聚合物钽电容(液态钽比较小众,暂时不提及)。聚合物钽电容(polymer钽电)高频特性优异,价格也贵。生产聚合物钽电容的优秀厂商主要有KEMET、AVX、三洋等。

从市场份额看,AVX和KEMET约占60%的钽电份额,此外还有NEC、VISHAY、NICHICON、罗姆、松下(含三洋)、三星电机、松尾电机、Abracon等。其中AVX和KEMET钽电容市占率高,市场上现货较多,NEC、VISHAY、NICHICON等钽电容市占率则相对小,但常用型号有时也会有现货。

市场需求是元器件行业发展的方向,便携、高可靠性、小型化是市场对终端产品的需求,这就对上游的元器件小型化提出了更高要求,因此,在这个发展趋势下,片式钽电容快速替代了老式的引线式钽电容器,使得片式化率超过90%。

钽电容优越性,爱不离手

钽电容的工作温度范围宽、温度特性稳定、比容大、具有独特的自愈特性,能满足长期工作的稳定性。钽电容经常被应用于大容量滤波的地方,像CPU插槽附近就看到钽电容的身影,多与陶瓷电容,电解电容配合使用或应用于电压、电流不大的地方。

适合钽电容的频率区间为100KHz--800KHz。

钽电容的弱点,恨铁不成钢

看完钽电容的优势之后,我们再来看看它有哪些致命弱点。

二氧化锰钽电容的关键成分是Ta2O5,受热后应力不稳定,抗浪涌电压和浪涌电流能力都较差,且失效的模式为短路(易引起高温、火灾),这也是很多电路设计全面杜绝二氧化锰钽电容的理由。

另外,使用二氧化锰片式钽电对滤波电路中的开关浪涌脉冲非常敏感,如果不能大幅度降额使用,开机和关机时的电流和电压脉冲容易把电容器的介质层击穿,从而造成电容器失效。

为了保证片式钽电容器具有更好的频率特性和安全性,采用一种导电高分子材料PEDT[聚噻吩]来替代二氧化锰作为片式钽电容器的阴极,我们也叫聚合物POLYMER钽电容。

由于导电高分子材料的电阻率要比二氧化锰半导体低几个数量级,因此片式钽电容器的等效串联电阻(ESR)得到大幅度降低,最低可达几毫欧。同时,使得片式钽电容器的频率特性得到较大的改善,频率范围大幅度增加。

在开关电路中,高功率脉冲会导致电介质层晶体在电场压力下出现微观位移。由于作为阴极的导电高分子材料具有有机物的特性,柔软且覆盖完整,不会像二氧化锰固体那样与晶体产生错位挤压而导致晶体物理结构损坏而击穿。

 

所以,使用导电高分子材料制造阴极的片式钽电容器对电路中存在的浪涌脉冲呈现出非常强的钝感现象。即使是频繁的脉冲也不能破坏电容器的电介质层。实际使用时,不需要大幅降额就可以具有非常高的安全性。

 

由于高分子材料的分子链大且完整,因此生产结束的钽电容器电介质层表面会均匀覆盖一层足够厚度的聚噻吩材料。此材料可以把易氧化燃烧的金属钽与富含氧的空气隔开。当出现意外的击穿现象时,不会出现快速氧化导致的燃烧和爆炸现象,不会引发火灾和二次击穿,具有出色的安全性和高可靠性。

综合比较,聚合物POLYMER钽电容,对比普通二氧化锰钽电容的优点如下:

1.具有极低的ESR和较低的ESL,可使用在频率更高的滤波电路。

2.意外击穿时不燃烧不爆炸,不会引发火灾和二次击穿效应,安全性优良。

3.使用在低阻抗的开关电源电路,对浪涌电流和电压不敏感,只需要降额10-20%使用,安全性高,失效率更低。

4.内阻低,具有更高的耐纹波能力,在进行滤波和大功率放电时产生的热量大幅度降低,滤波效果更好,放电波型更容易符合技术要求。

5.可靠性与二氧化锰做阴极的片式钽电容器相比,高一个数量级。

6.在高纹波的滤波电路和大功率高频率放电电路中使用,不需要大幅度降额。

正因为如此,钽电容两大巨头AVX和KEMET公司不断推出polymer钽电容。AVX公司的TCJ 、TCM、TCN、F38等系列, KEMET公司的T520、T521、T525、T529、T530、T545系列钽电容(KEMET内部俗称KO-CAP)。综上来看呢,polymer钽电容取代二氧化锰钽电容似乎是一个难以阻挡的趋势。

最后关于钽电容的降额设计,其实是一个试验经验统计值。即使在大公司内部,也是根据试验或者事件不断修正这个数值。由于没有统一规范,所以工程师往往感到迷茫。今天先贴出钽电容的几个指标,提出降额规范,供大家参考:

 

 

 

 

 

普通二氧化锰钽电容

耐压

稳态

50%

瞬态

55%

环境温度

稳态

≤Tmax-20℃

瞬态

反向电压

稳态

禁止

瞬态

≤2%额定电压

电压变化率

稳态

≤15V/ms

瞬态

纹波电路

环境温度<85℃

100%

环境温度<95℃

80%

环境温度<105℃

60%

 

 

 

 

Polymer聚合物钽电容

耐压(额定小于10V)

稳态

85%

瞬态

90%

耐压(额定10~25V)

稳态

70%

瞬态

80%

耐压(额定25以上)

稳态

60%

瞬态

80%

环境温度

稳态

≤Tmax-10℃

瞬态

≤Tmax

反向电压

稳态

禁止

瞬态

≤2%额定电压

电压变化率

稳态

≤15V/ms

瞬态

纹波电路

环境温度<85℃

100%

环境温度<95℃

85%

环境温度<105℃

70%


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