钽电容器的阳极选择

开关式电源，微处理器和数字电路应用的一个共同趋势是降低高频工作时的噪声。为了做到这一点，元器件必须具备低ESR（电阻率）、高电容和高可靠性。 

   钽电容器阳极的总体表面积，特别是其表面积与体积比，是确定其ESR值的关键参数之一，总表面积越大，ESR值越大。使用多阳极是大幅降低钽电容器ESR值的其中一种方法，其做法是在一个电容体中使用多个相同的电极材料。 

   传统的做法 
  在高寿命和高可靠性应用中，二氧化锰电板极常规钽电容器仍然是一个普遍的选择。二氧化锰技术能提供***的场性能和环境稳定性以及在很宽的电压范围如2.5～50V内提供高电阻率和热阻率，器件设计的运行温度在125℃以上。然而，与聚合物钽电容器相比，二氧化锰电极系统较高的ESR是一个缺点。 

 阳极选择
 单一阳极技术成为标准通用型选择是由于其出色的性价比。多阳极设计可提供更低的ESR值，但其缺点是生产成本要高于单阳极解决方案。

使用标准的芯片集成工艺的槽式阳极设计是低ESR与低成本折中的一种结果。因此，槽式设计通常用于价格敏感同时要求低ESR的设计，而多阳极技术适合用于既要求低ESR更要求高可靠性的应用中，如电信基础设施、网络、服务器和军事/航空航天等应用。

除了上述差异，多阳极的概念有另两处优势。

(1)多阳极设计具有更好的散热性能，这意味着多阳极电容可以承载更高的持续电流；同理，多阳极电容对抗电流浪涌危害的能力也更强。

(2)相较于单一的阳极，多阳极电容的单位容积效率较低，这导致了一种假设，认为多阳极不能达到与单一阳极一样的CV（定电压因素）。事实上，薄的阳极实现起来更容易，并且更易被第二个二氧化锰电极系统穿透，使更高的CV得以利用，因此，多阳极电容器能达到同样甚至更高的CV水平。

   常见多阳极类型
  如今市场上常用的钽多阳极通常采用纵向排列3～5个阳极于一个电容体内的方法实现，如图1所示。这实际是从制造的角度来看的，如果从ESR的角度，此解决办法则不如横向布局，横向布局中更薄的平板阳极有望进一步减小ESR。

图1 多阳极装置在一个电容器体中使用两个或两个以上的阳极

  新的多阳极装置多阳极设计的费用随其阳极个数增长而成倍增长。目前大多数设计中使用的三阳极设计已接近成本与ESR的***佳优化比。

  纵向设计的结构中，一个阳极通过电极银胶环氧树脂连接到第二个，再到另一个电极引线框。同样的做法被使用于标准的单阳极电容中，因此其制造技术与旧有的类似，无须为多阳极设计的新技术环节追加很多额外***。

  另一方面，横向设计需要为阳极之间的连接产生新的解决方法，这直接导致了代价高昂的技术修改。因此，迄今为止这种设计并没有被用于单一多阳极电容的批量生产。横向的设计更经常使用于一些特殊应用中，方式是通过焊接或跳汰系统，将两个或两个以上完整的电容器叠加到阵列或模块中。

  横向和纵向结构两者ESR性能之间的差异如图2所示。这个例子是基于对D类电容器的理论计算，图2表明，两阳极横向结构与三阳极系统的纵向结构的ESR值相似。然而，相对而言横向结构在ESR上性价比优势更显著。

图2 横向和纵向结构性能表现相似，成本成为决定因素

 相比横向结构，纵向设计在缩减高度上受限制更大，目前的电容器高度一般在3.5～4.5mm。今天，这一因素更显重要，甚至在有如电信基础设施、军事等应用中，电子产品的小型化也正成为一个考验，这在过去是不曾有的。

 利用两个阳极横向“镜像”结构，研究人员已经开发出一种新型的多阳极结构。镜像结构使用改良的引线框形状，引线框***于两阳极中间。这种结构解决了电极横向排列的连接问题，并使工艺改装费用下降到了可接受的水平。

  两阳极镜像设计的ESR性能稍逊色于三阳极纵向结构的效果，但它制造起来更便宜。镜像设计的主要好处在于，它使多阳极电容器的高度减小，***低下降到3.1mm。

利用镜像设计的其他优点是，其对称的布局有助于减少自感（ESL）。对称的结构对电感回路作了部分补偿，有利于将ESL降低至采用经典引线框设计的方案之下。

一个D类单阳极设计的ESL值为2.4nH，典型值为2.1nH左右。镜像设计的ESL值约1nH为常规设计的一半。这会将镜像多阳极的共振频率升至更高值，如图3所示。

图3 镜像设计的性能
（a）显示出其电容随频率下降值低于单阳极解决方案，并且其（b）ESR值也是如此

镜像结构如果使用更薄的阳极，电容将随频率下降至更低。镜像设计的共振频率改变，其原因是目前一般的 DC/DC转换器其开关频率的工作范围（250～500kH）会因降低ESL而显著升高。

镜像设计的另一个好处是改善了其散热性能如图4所示，纹波电流在阳极产生的热量通过PCB板上的引线和钽丝得以发散冷却。

因此，尽管单阳极D类电容可连续散热只有150mW，但类似尺寸的镜像结构电容可以处理255mW。镜像横向型多阳极电容器目前可达到的电容值为220～1000μF，电压为2.5～10V，ESR值为25～35mΩ。未来的发展将进一步扩展电压范围至35和50V，这将使电容器在设计高度日趋重要的电信新应用中非常具吸引力。单个35～50V电容在 3.1mm的***大高度内拥有10～22μF的电容量，65～140mΩ的ESR值，这是其他任何技术都难以企及的。(end)