使用美国制造的高容量超薄电容器减少电路板尺寸和上市所需时间

硬件设计工程师一直在寻找降低组件成本、尺寸和重量的机会，同时要满足或超过组件和系统的效率和可靠性目标。最常见和最关键的优化元件之一就是印刷电路板上安装的电容器，因为它们体积大，使用范围广。在选择电容器时，可靠性必须是一个考虑因素，因为当受到极端温度的影响时，电容器容易出现泄露和容量下降的情况。这种退化会导致间歇性的电路故障，损害系统的效率和可靠性。

虽然电容器厂家在不断改进设计，以提高能量密度、可靠性和重量，但由于供应链问题造成的交货时间过长，可能无法为某个应用提供最优的零件。

本文讨论了滤波器和散装储能电容器的作用。并展示了如何用单个电容器取代其他类型的电容器，如表面贴装电容器阵列，从而减少电路板元件和电路互连，提高整体电路可靠性。随后，介绍了 Cornell Dubilier Electronics 的高可靠性铝电解电容器，该电容器具有外形扁平和较高能量密度双重优势。由于这些电容器是在美国制造的，并且可以快速运往北美的生产设施，因此这些电容器也提供了一个缩短交期的选择。

板载电容器的可靠性

电解电容器的寿命是由其内部结构随时间推移的电化学降解速度决定的。由于这种退化在典型的工作条件下是可以预测的，所以制造商可以很容易地计算出电容器的功能寿命。电容器的可靠性是衡量电容器在面对结构变化或暴露在极端条件下，其实际寿命与预期寿命的接近程度。

虽然大型和小型电容器的损耗寿命大致相同，但小型电容器更可靠，因为阳极和阴极表面之间的表面积更小。电容器越大，可靠性就越高，这是选择它的一个因素，同时也是可用性的一个因素。截至本文撰写之时，电子元器件的供应链出现了问题，包括许多国际货运的延误。由于这个原因，可用性和交货期已经成为电子元件选择的关键标准。

电容器不受许多半导体常见的尺寸优化的影响，因为电容器的尺寸不能通过缩小到较小的工艺几何形状来减少。由于电容器设计的物理原理，以法拉 (F) 为单位的电容器额定值越大，阳极和阴极之间的表面积就越大，因此其物理尺寸就越大。垂直安装的电容器，也被称为 V 型芯片，是节省电路板空间的常见封装选择，其代价是更高的电路板高度和更少的间隙，这可能会影响附近元件的封装选择。

大型铝电解电容器的安装位置也会影响可靠性。大型电容器可能会发热，在某些情况下需要气流甚至是散热装置。由于参数漂移，应用的直流电压、纹波电流和极端的环境温度都会缩短其工作寿命。通常情况下，电容器的等效串联电阻 (ESR) 是第一个偏离规格书规格的参数。随着 ESR 的上升，电容器会逐渐变热。当它工作在过热状态时，其内部结构就会破裂并有效地使阳极和阴极短路时，从而造成最终失效。在一些较罕见的情况下，热量会使电容器变干，从而变成开路状态。

系统中的电容器退化首先会表现为随机故障，当电容器短路时，很快就会变成系统故障。对于串联或并联的电容器组来说，这个问题会被放大；如果一个电容器发生故障，整个电容器组都会发生故障。电容器组降低了系统的可靠性，因为电容器组的故障率是一个电容器的故障率乘以电容器组中电容器的数量。由于这个原因，在高可靠性的设计中，不鼓励使用电容器组，而是使用一个大的电容器。

高可靠性、高密度电容器

针对空间受限的、高可靠性应用，Cornell Dubilier 提供了 THA 和 THAS 薄片式铝电解电容器。这些电容器的设计是为了实现非常高的能量密度，采用扁平封装，有一个激光焊接的外壳，将电解电容器封闭起来，防止泄漏。这种激光焊接消除了对大型端部密封垫圈的需要，而这种垫圈被广泛用于密封大多数电解电容器的末端。该外壳中的一个阀门允许气体排放，缓解了内部压力，从而减少肿胀。THA 产品线的厚度为 8.2 毫米 (mm)，THAS 产品线的厚度为 9 毫米 (mm)。THA 和 THAS 电容器的设计确保了分别在 85°C 和 105°C 下可运行 5000 小时。它们的能量密度为每立方厘米 0.9 焦耳 (J/cm³)。

对于许多滤波和电机控制应用来说，设计者可以使用 THAS131M450AD0C THAS 系列 130 微法 (µF) 电容器（图 1）。该电容器长 66.5 mm，宽仅 25.4 mm。如前所述，THAS 系列电容器的厚度只有 9 mm，因此当它们安装就位时，可以实现非常低的印刷电路板外形。该系列的额定电压为 450 伏，适用于电机控制应用和紧凑型电源。由于该系列非常纤细，因此也适用于笔记本电脑或类似的扁平电子产品，因为这类产品的元件净空严重受限。与同类电容器相比，该电容器还可以垂直安装在印刷电路板上，以节省空间。

图 1：THAS131M450AD0C 130μF 电容器的额定电压为 450 伏，厚度仅为 9 mm，适合于电机控制和低矮型印刷电路板应用。（图片来源：Cornell Dubilier）

THAS131M450AD0C 的容量为 130 µF，可用于取代较小的电容器组，以提高可靠性。THAS131M450AD0C 在 25℃ 和 120 赫兹 (Hz) 时的 ESR 为 1.12欧姆 (Ω)，在 20 千赫兹 (kHz) 时降至 0.54 Ω。其低 ESR 使之适用于必须尽量减少发热的开关电源。85℃ 时的纹波电流额定为 1.36 安培 (A)，这对电源来说也很重要。

作为 Cornell Dubilier THAS 产品系列的一部分，THAS131M450AD0C 电容器有一个不锈钢套管，提高了耐久性。其端子规格为 20 AWG，适合大多数通孔印刷电路板安装型应用。

对于必须在短时间内储存电压的应用，设计人员可以采用 THAS322M050AD0C THAS 系列 3200μF、50 伏电容器。其长度也是 66.5 mm，厚度也是 9 mm，有一个不锈钢套管。120 Hz 时的 ESR 为 0.05 Ω，在 20 kHz 时略微下降到 0.04 Ω。它在 20 kHz 时可以处理 3.48 A 的纹波电流，并在 20 Hz 时则可以处理 2.90 A 的纹波电流。由于这种低 ESR 和高电流能力，它适合用作 50 伏的超级电容器，在主电源不可用时为小电路临时供电。

与所有 Cornell Dubilier THAS 电容器一样，THAS322M050AD0C 在顶部有一个通风口，在图 2 中清晰可见。作为正常操作的一部分，该通风口允许气体从电容器中排出，尽管在高温下气体析出可能会增加。排出的气体是氢气和废气的混合物。

图 2：在 THAS322M050AD0C 电容器的顶部可看到一个通风口，可以让正常工作下积聚的内部气体安全排出。（图片来源：Cornell Dubilier）

内部气体的排放很重要，特别是在高价值的电容器中。氢气和其他气体会在钢套管内积聚，形成压力，导致故障。如果电容器没有足够的通风装置，内部气体就会积聚到一定程度，电解液就会漏到电路板上，使其他电子产品短路，或者在某些情况下，电容器甚至会发生爆炸。但要注意的是，在布置印刷电路板时，一定要确保电容器通风口位置没有障碍物。

为了获得更多的电荷容量，Cornell Dubilier 开发出了 THA 系列。THA 薄片式电容器有铝制套管，厚度为 8.2 mm，比 THAS 系列略微纤薄。THA 系列的一个实例是 4400μF 50 伏 THA442M035AC0C。其长度为 53.8 mm，与同类电容器相比，具有非常较高的能量密度。其 ESR 在120 Hz 时为 0.07 Ω，在 20 kHz 时为 0.06 Ω，使之适合在短暂的电源中断期间作为小型电子产品的临时电源使用。4400μF 的电容器也会变得非常热，因此必须提供足够的气流，使其保持在推荐的工作范围内，即 -55℃ 至 +85℃。对于高价值的电容器，确保通风口处没有障碍物甚至更为重要。还建议通风口不要指向任何易燃物，因为氢气具有爆炸性。

结语

电容器是电子系统中的关键组件。通过将高可靠性与高能量密度和低外形相结合，设计者可以减少电子系统的尺寸并提高其工作寿命。采用美国制造的单一高能量电解电容器可以避免漫长的交货期，也可以取代电容器组以节省电路板空间。

资源

1. THA 和 THAS 薄片式铝电解电容器培训模块