聚合物电容大容量低ESR优势明显，替代部分车规MLCC

电子发烧友网报道（文/李宁远）作为三大无源器件之一的电容，是任何硬件电路都离不开的基础被动元器件。电容依靠两大基本性质，储存电荷和不使直流电流通过，以各种形式被应用在日常使用的电子产品的电路中，发挥着重要作用。

在对电容进行分类的时候，通常按照电介质的不同来进行分类，如无机电容、有机电容还有电解电容。陶瓷电容就属于无机介质电容器，DC薄膜电容属于有机介质电容器，电解电容就是铝电解、钽电解电容这些。

其中电解电容在电容品类里有着接近40%的占比，因其容量大而备受关注。而现在电解电容的发展也是非常快。

从电解电容到高分子固体聚合物电容

所有品类的电容都在不断进行技术升级和发展，电解电容也是。传统电解电容里常见的是钽电解电容和铝电解电容，二者的容值范围都非常大。不同之处在于钽电解电容体积更小不容易受温度影响，铝电解电容成本更低，电压范围更大。

不过传统电解电容都有其缺点，铝电解电容摆脱不了物理特性容易出现受热膨胀的特性，很容易出现漏液的危险现象，而钽作为一种资源性材料产量小成本也更高。为了解决这些限制，高分子固体聚合物电容被开发了出来。

高分子固体聚合物电容以高分子导电材料取代传统电解液的电解电容器，在高频低阻抗性能、高温耐受性、漏液特性上均实现了明显的性能提升。在很多应用中，开始替换某些无机和有机介质电容器。

聚合物钽/铝电解电容器通过以多层钽/铝箔结构为阳极，以固体导电聚合物为阴极，阴极材料的创新发展，给电解电容带来了很多性能上的改变，最直接的效果就是实现了低ESR、低阻抗和高静电容量。

所谓导电高分子，其材料是具有导电性的一类聚合材料，可以是本身具有导电功能或掺杂其他材料后也具有导电功能的一种聚合物材料，也可以通过填充复合材料，表面混合或层压普通聚合物材料和各种导电材料获得导电性。

以聚合物钽电容为例，聚合物钽电容器不使用阴阳极片，阳极由钽粉烧结成的钽颗粒制成。这种颗粒经过阳极氧化处理，整个阳极表面形成五氧化二钽（Ta2O5）介质层。然后，用高导电聚合物浸渍氧化颗粒用作阴极。

虽然结构上与传统的二氧化锰（MnO2）钽电容结构相似，但是导电聚合物电容使用固有导电聚合物材料，导电率高出几个数量级。因此，导电聚合物电容器的等效串联电阻（ESR）大大低于MnO2电容器，并且降低了所需的电压降额。

聚合物钽电容与聚合物铝电容

高分子固体聚合物电解电容优势最直观的就是容量大幅提升ESR大幅降低。液态电解质用作阴极时，离子在液态电解质中移动较为缓慢，这带来了更高的阻抗。而聚合物是利用电子导电，其电导率比液态电解质高3个数量级，因此聚合物电解电容有极低的ESR。

以MnO2钽电容器为例，其ESR典型值为40－50mΩ，这种相对较高的ESR值无疑是一个短板，在10kHz以上的应用中这样的高ESR使其应用范围严重受限。相较而言，聚合物钽电容将ESR降低到了5mΩ以下，因此可用于高达500kHz的应用中。通常，ESR过高而引发的电路故障是很难检测的，只能在设计之初就考虑好它可能带来的影响，更低的ESR在整个电路的设计上无疑是更友好的。

第二点在于稳定性，容量的稳定性。阴极材料的差别会让容量稳定性有很大差异，阴极如果在高温下表现出更高的活跃度，对电容的整体性能会产生很大影响，一般这种影响都是弊大于利的，甚至是在温度过高时出现爆浆，在低温时其稳定性也会出现明显改变。受到外加电压时同样。

容值稳定性的意义在于聚合物电容的容量随温度、电压和时间变化的幅度不大，呈现出良好的长期性能稳定性，有着极长的使用寿命。聚合物钽电容在－55℃低温下容值几乎没有变化，不过高温同样会让高分子分解影响性能。

虽然高温均会影响到电容，但相较之下，聚合物电解质发生短路时不易燃烧，安全性更高，而二氧化锰电解质，容易与氧气发生化学反应，导致燃烧。

上面这些是聚合物钽电容与聚合物铝电容都具备的特点，但其实二者作为最常见的两类电解电容还是有差别的，就是容量在频率之间的权衡。在工作频率接近1MHz时，聚合物铝电解电容器的确也能够实现低到2mΩ左右的ESR，如果再配合一些复杂设计，还可实现再高一些的电容保持。

但是，这种ESR降低是通过折中聚合物铝电解电容器的最大电容量来实现的，其电容值只有相同封装尺寸的聚合物钽电容的50%-80%。在对电容器的容积效率、可靠性、额定电压和大容量提出更高的要求的场合，聚合物钽电容无疑更具优势。

聚合物钽电容替代部分车规MLCC

聚合物钽电容长期以来作为相控阵雷达、航空电子控制和显示以及电力系统等高端领域应用的大容量电容，在容积效率、可靠性、大容量上是肯定没有问题的。增加堆叠选件还能在小面积下做更大的容量，节省大量PCB空间。这种大容量，高额压使聚合物钽电容器成为脉冲雷达、激光雷达、保持电路等应用中的绝佳选择。

近年来MLCC的火热程度是有目共睹的，尤其是车规产品，0805尺寸及以上系列的供应依旧比较紧张。不少厂商也在寻找替代方案以应对车规MLCC供应链不稳定性，供货紧张的行情。

聚合物钽电容的高稳定性、尺寸灵活、大容量、高额压成为不错的一个替代方向。而且关键之处在于，聚合物钽电容和MLCC重合的容值范围是1uF-1000uF，电压范围是2.5V—75V，正好是一些车规MLCC覆盖的范围。

直接替换是不实际的，只有很少一部分系列的MLCC能直接被聚合物钽电容替代，绝大多数还是需要重新测试并修改PCB设计。当然，二者在电气特性上的不同也是替换时需要特别注意的。

现在已经有一些车规级MLCC应用采用聚合物钽电容来进行替代，并取得了良好的替代效果，很多车规应用的板上由于输出功率的增大，会面临增多MLCC却又无法摆放的窘境。聚合物钽电容的替代可以在不增加电容数量的前提下，解决不少板上空间问题。

小结

电容技术一直在飞速发展，各类电容也需要在小型化、高容化、高耐电压性以及高可靠性上持续升级。聚合物电容作为大容值电容的代表品类也在不断拓展应用，随着汽车领域元器件小型化的进一步发展，小尺寸大容量聚合物钽电容在一些车内应用里替代某些MLCC的方案还是很有价值的。