钽电容的优点和最新进展
钽电容向设计工程师提供紧致、高性能的电子电路，以及具有稳定性能的可靠高容值解决方案。钽电容过去一直受到设计工程师的青睐并得到广泛应用，如大容量能量储存、滤波和退耦。钽电容技术进步包括聚合物阴极系统的成熟，导致了ESR降低、封装密度的显著改进，以及ESL的减小。我们将在本文中考察这些进展对钽电容性能的影响。
钽电容向设计工程师提供紧致、高性能的电子电路，以及具有稳定性能的可靠高容值解决方案。钽电容过去一直受到设计工程师的青睐并得到广泛应用，如大容量能量储存、滤波和退耦。钽电容技术进步包括聚合物阴极系统的成熟，导致了有效串联电阻(ESR)降低、封装密度的显著改进，以及有效串联电感(ESL)的减小。我们将在本文中考察这些进展对钽电容性能的影响。背景钽电容的使用迄今已接近60年，它以长期可靠性和容值密度而著称。钽电容在军用和商用航空电子、可植入医疗电子、笔记本电脑、智能手机及工业自动化和控制系统设计中居于中心地位。钽电容受欢迎的主要因素是其体积效率产生的高单位体积容值。容值公式如下：C=(kA)/d其中：C=容值k=介电常数A=表面面积d=电介质厚度凭借极大的表面面积、高介电常数和相对较薄的电介质层，钽电容可在1uF至2,200uF容值范围内和最大50 V外加电压条件提供最佳的容值密度。高级钽粉和高效率封装的结合使钽电容领先于替代技术。例如，目前的钽电容能够以0402外壳尺寸在4V充电电压下提供22uF容值。在电压范围的另一端，我们可找到采用单个封装，在50V充电电压下提供47uF容值的钽电容。传统钽电容的阴极系统使用二氧化锰(MnO2)材料。这种半导体材料提供自愈机制(这可带来长期稳定性)且相对便宜。但其富氧配方在高热的极端环境中容易导致起火。自上世纪90年代中期以来，导电聚合物技术趋于成熟，从而与MnO2产品形成互补。由于导电率显著高于MnO2，导电聚合物可降低ESR。这一进展与消除敏感应用中的起火危险相结合，推动了相关企业对这种技术的投资。钽电容设计的进步制造商提供种类广泛的钽电容产品系列，它们针对各种具体特征进行优化，并瞄准不同的应用和细分市场。这些不同的产品系列提供的优化包括更低的ESR、更小的尺寸、高可靠性(面向军用、汽车和医疗应用)、更小的直流漏电流、更低的ESL和更高的工作温度。本文侧重其中两个领域：更低的ESR和更小的尺寸。●更低的ESR – 为实现最低ESR而优化，这些器件在脉冲或交流应用中提供更高的效率，在高噪声环境中提供更出色的滤波性能。●更小的尺寸 – 结合高CV钽粉的使用和高效率封装，这些器件以紧凑尺寸提供高容值，适用空间紧张的应用，如智能手机、平板电脑和其他手持式消费电子设备。低ESR钽电容减小ESR一直是钽电容设计的重要研究领域之一。钽粉的选择和生产期间涂敷阴极材料时所用的工艺对ESR有显著影响。但是，对于给定的额定值(容值、电压、尺寸)，这些因素主要为设计约束并在目前的最先进器件上得到基本解决。使ESR减小的两个最主要因素是：阴极材料用导电聚合物替代MnO2，引线框架材料从铁镍合金改为铜(Cu)。传统钽电容的ESR主要源于阴极材料MnO2。如图1所示，MnO2的导电率约为0.1S/cm。相比之下，导电聚合物(如聚)的导电率在100S/cm范围内。导电率的这一增加直接转换为ESR的显著减小。在图2中，不同额定值下的ESR-频率曲线显示了钽电容器采用聚合物阴极系统的优势。通过直接比较MnO2和聚合物设计在A外壳 6.3 V / 47 μF额定值条件下的ESR-频率曲线，可以看出在100 kHz频率下聚合物设计使ESR的减小幅度多达一个数量级。图1：不同材料的导电率。图2：不同额定值下的ESR-频率曲线。引线框架材料是改用导电率更高的材料后可改善ESR的另一个领域。如图3中的电容横截面所示，引线框架提供从内部电容器元件到封装外部的电连接。图3：电容横截面。铁镍合金(如Alloy 42)一直是引线框架材料传统选择。这些合金的优点包括低热膨胀系数(CTE)、低成本和制造中的易用性。铜引线框架材料加工方面的改进使其能够用于钽电容设计。由于导电率是Alloy 42的100倍，铜的使用对ESR有重要影响。例如，采用A外壳(EIA 3216)和传统引线框架的Vishay 100μF/6.3V T55聚合物钽电容在100kHz和25°C条件下提供70mΩ的最大ESR。通过改为铜引线框架，最大ESR可减小到40mΩ。紧凑钽电容改善钽电容设计体积效率(容值密度)的两个主要因素是钽粉的演变和封装的改进。电容设计中使用的钽粉的质量因数是：(容值?电压)/质量，简写为CV/g。大规模生产中使用的钽粉的演变如图4所示。CV/g的这些增加与更小的颗粒尺寸和粉末纯度改善有关。在电容设计中使用这些材料本身就是一个复杂的研究领域，需要大量研发投资。图 4：大规模生产中使用的钽粉的演变。使钽电容设计尺寸减小的另一个重要因素是超高效封装技术的发展。业内使用的最常见封装技术是引线框架设计。这种结构具有非常高的制造效率，从而可以降低成本和提高产能。对于不受制于空间的应用，这些器件仍然是可行的解决方案。图5：不同封装技术的体积效率。但是，在主要设计标准是增加密度的许多电子系统中，能够减小元件尺寸是一个重要优势。在此方面，制造商在封装技术上已经取得了若干进展。如图5所示，与标准引线框架结构相比，无引线框架设计可改善体积效率。通过减小提供外部连接所需的机械结构的尺寸，这些器件可利用该额外可用空间来增加电容元件的尺寸，从而增加容值和/或电压。在最新一代封装技术中，Vishay拥有专利的多阵列封装(MAP)结构通过使用位于封装末端的金属化层来提供外部连接使体积效率进一步改善。该结构通过完全消除内部阳极连接使电容元件尺寸在可用体积范围内实现最大化。为进一步说明体积效率的改善，请看图6。从图中可以明显看出电容元件的体积增加了60%以上。这一增加可用于优化器件，以增加容值和/或电压、减小DCL以及提高可靠性。图6：Vishay拥有专利的多阵列封装结构。Vishay MAP结构的另一个好处是减小ESL。MAP结构可通过消除环包的机械引线框架显著减小既有电流回路的尺寸。通过使电流回路最小化，可显著减小ESL。如图7所示，与标准引线框架结构相比，这一减小可达到30%之多。ESL的减小对应于自谐振频率的增加，这可扩大电容的工作频率范围。图7：Vishay的MAP结构与标准引线框架结构性能对比。结束语钽电容技术的进步带来了更低的ESR、更低的ESL和更小的尺寸。导电聚合物阴极系统所用工艺和材料的成熟带来了稳定、可再现的性能。封装技术的改进带来了更高的容值密度和ESL下降。这一切使钽电容不再局限于传统用途而被用于更多的设计。这些改进结合起来使设计工程师能够在低寄生效应和更高封装密度下获得极大改善的电气性能。本文来自《电子工程专辑》2018年3月刊，版权所有，谢绝转载
本文为EET电子工程专辑 原创文章，禁止转载。请尊重知识产权，违者本司保留追究责任的权利。
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其它亚洲地区为什么大电容滤低频，小电容虑高频，高中低频分配？
印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采
用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF
一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还
可以起到稳压的作用
滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐波
频率，可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件，根据具体的需要
选择。至于个数就不一定了，看你的具体需要了，多加一两个也挺好的，暂时没用的可以
先不贴，根据实际的调试情况再选择容值。如果你PCB上主要工作频率比较低的话，加两个
电容就可以了，一个虑除纹波，一个虑除高频信号。如果会出现比较大的瞬时电流，建议
再加一个比较大的钽电容。
其实滤波应该也包含两个方面，也就是各位所说的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。
原理我就不说了，实用点的，一般数字电路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到
10个uF，去除高频噪声好些，大概按C=1/f&&。旁路一般就比较的小了，一般根据谐振频率
一般为0.1或0.01uF
说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其
实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可
以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的
阻抗越小.。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁
路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以
称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电
压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中，往往电容的
作用是多方面的，我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里，我们统一把这些应
用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.
电容的本质是通交流，隔直流，理论上说电源滤波用电容越大越好。
但由于引线和PCB布线原因，实际上电容是电感和电容的并联电路，
（还有电容本身的电阻，有时也不可忽略）
这就引入了谐振频率的概念：ω=1/(LC)½
在谐振频率以下电容呈容性，谐振频率以上电容呈感性。
因而一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。
这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。
至于到底用多大的电容，这是一个参考
&&&&&&&&&&&&&电容谐振频率
电容值&&&&&&&DIP&(MHz)&&&&&&STM&(MHz)
1.0μF&&&&&&&&&&&&&&&&2.5&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&5
0.1μF&&&&&&&&&&&&&&&&&8&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&16
0.01μF&&&&&&&&&&&&&&25&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&50
1000pF&&&&&&&&&&&&&80&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&160
100&pF&&&&&&&&&&&&&&250&&&&&&&&&&&&&&&&&&&500
10&pF&&&&&&&&&&&&&&&&800&&&&&&&&&&&&&&&&1.6(GHz)
不过仅仅是参考而已，用老工程师的话说——主要靠经验。
更可靠的做法是将一大一小两个电容并联，
一般要求相差两个数量级以上，以获得更大的滤波频段。
一般来讲，大电容滤除低频波，小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比
具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi&&/(R&*&f&*&f&)
电源滤波电容如何选取，掌握其精髓与方法，其实也不难。
1）理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应
,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数,这表示频率大于
FSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR后,对干扰的抑制就大打
折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?
原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常
常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也
可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要
尽可能靠近地了.
2)那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,我怎么知道电容的SFR是多少?就算我知道SFR值
,我如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?
电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的,或直插式电
容的SFR值也不会相同,当然获取SFR值的途径有两个,1)器件Data&sheet,如22pf0402电容的
SFR值在2G左右,&2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率,想想如何量测?S21?
知道了电容的SFR值后,用软件仿真,如RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作
频带是否有足够的噪声抑制比.仿真完后,那就是实际电路试验,如调试手机接收灵敏度时,
LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB.
根据国际电工协会IEC581标准，和我国的GB/T14277-93国家标准，是这样划分频段的：
30－150Hz为低频段，
150－500Hz为中低频段，
500－5KHz为中高频段，
5K-16KHz高频段。
以上2个电声技术标准都没有列出16KHz以上的频段叫什么，在不规范的技术标准中，有人把这一段叫作超高频段。
根据IEC581国际标准的规定，家用声频功率放大器的合格标准为40Hz－12.5KHz，振幅容差（不均匀度）应小于5dB。按照这个标准，目前市售优质功放都好于这个指标。
在家用优质前置放大器中，低音调节点一般设置在80Hz，中音调节点一般设置在1Kz，高音调节点一般有3种设置法，8KHz、10KHz、12KHz。
人耳理论上的可听域为20－20KHz，但实际上大多数25岁以上的成年人听不到16K以上的声音，如果对听觉不注意保护，如经常使用劣质耳机，那么可听域的高频损失还会提前加大。比如，大多数成年人都听不到电视机高压包的高频哼声，这个声音虽然比较轻，但还是可以听到的，大多数小孩子都可以听到，但没有经过听觉训练的成年人基本都说听不到，这个高频哼声是16KHz。
现代优质音频放大器的频段可以覆盖0－250KHz，也就是可以放大次声波和超声波。虽然我们听不到大多数频段声音，但这些不可听的频段参与了谐波的生成，对放大器的保真度有重要意义
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。高耐压的电容其ESR和损耗是否会低些?
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高耐压的电容其ESR和损耗是否会低些?
高的耐压只是更好的绝缘,但是它对电容的其他参数有没有影响呢?或者说现实的产品中高耐压的电容的其他参数有什么变化?下面是网上的一篇文章,请大家鉴定散逸因子─损失角 　　散逸因子dissipation factor(DF)存在于所有电容器中，有时DF值会以损失角tanδ表示。想想，损失角，既有损失，当然愈低愈好。塑料电容的损失角很低，但铝电解电容就相当高。DF值是高还是低，就同一品牌、同一系列的电容器来说，与温度、容量、电压、频率…等都有关系；当容量相同时，耐压愈高的DF值就愈低。举实例做说明，同厂牌同系列的10000μF电容，耐压80V的DF值一定比耐压63V的低。所本刊选用滤波电容常会找较高耐压者，不是没有道理。此外温度愈高DF值愈高，频率愈高DF值也会愈高。&&　　但许多电容器制造厂，在规格书上常不注明散逸因子DF值，因为数值甚高很难看。以瑞典RIFA为例，其蓝色PHE-420系列是MKP塑料电容，它的DF值最低是0.00005，最高是0.0008。但白色顶级PEH169系列铝质电解电容，就未标示损失角规格。若真注明DF值，电解电容可能会是1.0000，小数点是在1的后面。&&　　漏…漏电流&&　　哇！漏电！最好没有。可是没办法，铝电解电容在工作时一定会产生漏电流。&&　　漏电流(leakage current)当然要低，它的计算公式大致是：I＝K×CV。漏电流I的单位是μA，K是常数，例如是0.01或0.03，每家制造厂会选择不同的常数。但不论如何，电容器容量愈高，漏电流就愈大。如果你有容量愈大平滑效果愈好的想法，这个「漏电流」也请考虑在内。从计算式可得知额定电压愈高，漏电流也愈大，因此降低工作电压亦可降低漏电流。&&　　但降低电容器的漏电流并不容易，低漏电流low leakage current-LL系列价格高昂，我曾向国内厂商订制一批低漏电流LL系列电容，价格比许多进口电容还贵。漏电流规格，铝电解电容就比钽电解电容差许多，钽质电容也有干式及湿式两种，不过它的容量及耐压都较低。&&　　除特别定制外，面对一般品，想要降低它的漏电流可设法提高Vs对Vr的比值。Vs是涌浪电压，其值当然比Vr额定电压高，但施加电压(真正的工作电压)还应该比Vr低，例如取Vr的90％；找高耐压品种可说是完全正确。&&　　等效串联电阻ESR 　　一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗，比较重要的就是ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感─这就是容抗的基础。电容器提供电容量，要电阻干嘛？故ESR及ESL也要求低…低；但low ESR/low ESL通常都是高级系列。&&　　ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度…都有关连，当额定电压固定时，容量愈大 ESR愈低。有人习用将多颗小电容并接成一颗大电容以降低阻抗，其理论是电阻并联阻值降低。但若考虑电容接脚焊点的阻抗，以小并大，不见得一定会有收获。&&　　反过来说，当容量固定时，选用高WV额定电压的品种也能降低 ESR；故耐压高确实好处多多。频率的影响：低频时ESR高，高频时ESR低；当然，高温也会造成ESR的提升。&&　　串联等效电阻ESR的单位是mΩ，高级系列电容常是low ESR及low ESL。若比较低内阻及低漏电流两种特性，则低内阻容易达成，故标示low ESR的电容倒很常见。ESR与损失角有关联，ESR＝tanδ/(ω×Cs)，Cs是电容量。 有时电容器规格上会有Z，它与ESR的意义不同，但Z的计算示与ESR有关，同时也考虑到容抗及感抗，是真正的内阻。刚才提到电容的ESR单位是mΩ，那是指大电容，若是220μF小容量电容，其ESR单位就不是mΩ而是Ω。何种电解电容器的ESR最低？答案只有一个：SANYO的OS有机半导体电容！&&　　涟波电流Irac&&　　前面谈到的散逸因子DF-损失角tanδ、漏电流、ESR-串联等效电阻…等，其值都是愈低愈好，但现在要提的涟波电流ripple current却是愈高愈好。特别是现在都特别讲究后级扩大机要有大电流输出，电源平滑滤波电容器的涟波电流Irac(或Iac)就显得格外突出。 涟波电流Irac的标示至少应有低频及高频工作时两种规格数字，低频大约是以120Hz做标准，高频大概是以 10KHz做标准，但不同制造厂商可能会有略微的差别。&&　　涟波电流与频率刚好成正比，因此低频时涟波电流也比较低。可是对我们音响迷来说，低频段的Irac值才是重要。所以在采购电容器时，涟波电流数字高低是极为重要的依据。不要认定SCREW锁螺丝式电容的涟波电流绝对比snap-in插PC板式来得高，以UCC电容为例，81DA系列是插PCB式，32DA系列是锁螺丝式。但相同容量、耐压比较，81DA的ESR不但比32DA低，Irac却又比32DA高很多。&&　　曾经有一种说法：RIFA的10,000μF相当于其它厂牌15,000μF，因为大部份日制电容的涟波电流都不高，而RIFA又特别高，故好像可以一个当两个用。德国SIEMENS、英国BHC电容，在Irac这项特性上也常优于日制品。就笔者所知，Irac最大的电容，是SIEMENS SIKOREL系列电容为最高，6,800μF/63V就高达20A！若是小容量电容，Irac最大的是SANYO OS电容。在计算机主机板CPU旁，有一排(大约6个)电容，不论是华硕、微星或技嘉，它们的DEMO板都是插满OS电容，但卖到市场上就全部换掉─因OS电容很贵！&&　　就后级扩大机的动作来说，很多人会认定低频时吃电流。有个方法可以试：以电表直流电压(DCV)最低档量任一只射极电阻压降，最好是指针电表，播放唱片，将前级音量转大，注意电表指针的摆动，你就会发现低频固然会吃电流，四把吉它连弹也会猛吃电流！什么音乐t最适合run-in后级扩大机？Holst的《行星组曲》第一曲MARS。&&　　现在你应该已经明了六成以上，或许你想问：有没有体型不大，漏电低、ESR低、tanδ低、误差低、价格低，但涟波电流高、适用温度范围高的铝电解电容？嗯…，没有/ end在滤波中使用高耐压的铝电解是否会有效果?.(没有好的仪器确实很难进行电子实验.).而在电路的其他部分,高耐压的电容是否一定优于低耐压的?当然价格除外,至少体积的增大会引入更大的电感.
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防止电容补偿容量不当造成线损升高
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