作者： MARIO DIPIETRO產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理，F(xiàn)latpack 部門Cornell Dubilier Electronics, Inc.

電子設(shè)備的小型化和扁平化趨勢(shì)不斷增長(zhǎng)，這是消費(fèi)市場(chǎng)的必然趨勢(shì)，但現(xiàn)在對(duì)更小功率電路的需求也蔓延到工業(yè)和軍事應(yīng)用中，其中空間和重量的節(jié)省是下一代設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)是在不影響系統(tǒng)壽命和可靠性的情況下采購(gòu)更小的組件以節(jié)省空間。

這在采購(gòu)電容器時(shí)尤其困難，電容器通常是電源板上最高的組件之一。另一種方法是在并聯(lián)時(shí)將電容器分布在大面積的 PC 板上，以滿足保持和大容量存儲(chǔ)的最小電容要求。然而，電容器制造技術(shù)和工藝正在改進(jìn)，導(dǎo)致重新發(fā)明了不起眼的鋁電解電容器，以實(shí)現(xiàn)更扁平的封裝樣式，以幫助電源設(shè)計(jì)人員滿足他們的設(shè)計(jì)需求。

電解電容器的發(fā)展在過(guò)去十年中，電容器的技術(shù)進(jìn)步不斷增加，有助于縮小組件尺寸。例如，材料規(guī)格的改進(jìn)（例如用于鋁電解的高增益陽(yáng)極箔）有助于在給定電容器尺寸下實(shí)現(xiàn)更高的 CV（電容 * 電壓）額定值。新電解質(zhì)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用以及改進(jìn)的引線連接技術(shù)有助于降低 ESR，從而在相同數(shù)量的紋波電流下減少功率損耗，并允許使用更小的組件而不會(huì)過(guò)熱。通常，這些進(jìn)步已應(yīng)用于現(xiàn)有的封裝樣式（外形尺寸），其潛在的空間節(jié)省有限。

自鋁電解電容器發(fā)明以來(lái)，圓柱形封裝一直是其主要外形因素。雖然這種設(shè)計(jì)理念促進(jìn)了高效制造，但它也為尋求顯著減小尺寸以及大幅延長(zhǎng)使用壽命的組件設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。此外，電解液歷來(lái)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變干，從而限制了它們的使用壽命。

在討論其他封裝類型在提高能量密度和預(yù)期壽命方面可以發(fā)揮的作用之前，先了解一下傳統(tǒng)鋁電解電容器的構(gòu)造方式是很有用的。兩層經(jīng)過(guò)特殊蝕刻的鍍鋁箔由絕緣紙層（浸漬有液體電解質(zhì)）隔開，纏繞在一起形成圓柱體，并封裝在鋁制外殼中。一個(gè)箔有一個(gè)氧化層，它成為陽(yáng)極；第二個(gè)是陰極。陰極和陽(yáng)極連接到引線或端子上，外殼用橡膠墊圈密封，以防止電解液逸出。外殼還有一個(gè)通風(fēng)口，旨在釋放氫氣的內(nèi)部壓力。由此產(chǎn)生的封裝必須足夠堅(jiān)固，能夠承受各種操作條件，同時(shí)將其電解質(zhì)保持在組件內(nèi)。這種封裝技術(shù)會(huì)占用大量空間。在最小的 SMT 封裝尺寸中，封裝材料（外殼、墊片、墊片等）可占到電容器成品總體積的 60%。

與 SMT 鋁電解電容器相比，與之競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，尤其是鉭電容器，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更高的能量密度和更低的每 CV 成本，尤其是在它們主導(dǎo)大容量存儲(chǔ)和濾波的板級(jí)應(yīng)用的較低電壓下。在 PC 板上看到串聯(lián)的鉭電容器陣列并不少見，它們并聯(lián)以滿足所服務(wù)設(shè)備的保持要求。必須考慮在降低高度和電路板空間之間進(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)椴⒙?lián)電容器之間的間距會(huì)進(jìn)一步降低大容量存儲(chǔ)和濾波所需的總電容解決方案的能量密度。

為了應(yīng)對(duì)低高度、減少 PC 板占用空間、延長(zhǎng)使用壽命和提高系統(tǒng)可靠性的挑戰(zhàn)，Cornell Dubilier (CDE) 改進(jìn)了其扁平電解電容器技術(shù)，以提供與更復(fù)雜的組合式替代方案相同或更好的價(jià)格和性能.

公司生產(chǎn)扁平鋁電解電容器（MLP 和 MLS 型）已有 20 多年的歷史。其 Flatpack 技術(shù)使用扁平電容器繞組來(lái)創(chuàng)建具有焊接密封的高能量密度設(shè)計(jì)， 以防止電容器在電容器的整個(gè)生命周期中流失——其圓柱形前身的致命弱點(diǎn)。

焊接密封消除了對(duì)墊圈的需求，從而進(jìn)一步提高了能量密度。這些棱柱型主要用于軍事和航空航天應(yīng)用，非常堅(jiān)固耐用，并且在機(jī)載電源以及艦載和地面雷達(dá)系統(tǒng)的最關(guān)鍵應(yīng)用中具有成熟的性能。在過(guò)去的二十年里，F(xiàn)latpacks 在取代濕鉭電容器方面取得了進(jìn)展，而濕鉭電容器以前是唯一具有密封和堅(jiān)固封裝的高電容類型。扁平、堅(jiān)固、高可靠性電容器的出現(xiàn)已經(jīng)幫助軍用產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員縮小了電路板設(shè)計(jì)、減輕了重量并提高了系統(tǒng)可靠性。

最近，CDE 在扁平電容器設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)方面取得了多項(xiàng)進(jìn)步，進(jìn)一步縮小了組件尺寸。一個(gè)重要的例子是使用玻璃到金屬密封件將密封技術(shù)從“近密封”改進(jìn)為“真正密封”。這些發(fā)展促使 CDE 在 2016 年推出了 MLSH Slimpack 系列密封鋁電解電容器（圖 1）。

圖 1：密封 MLSH 和非密封電容器在 4,000 小時(shí) 105°C 壽命測(cè)試期間所獲得數(shù)據(jù)的電解質(zhì)損失比較（按重量測(cè)量）。

它們采用玻璃對(duì)金屬密封，可完全防止電容器電解液變干。因此，規(guī)格表明在額定電壓下，工作壽命為 5,000 小時(shí)。電容值達(dá)到 3,200 μF，額定電壓高達(dá) 250 Vdc。封裝尺寸小至 1.0 x 0.5 x 1.5 英寸，可承受高達(dá) 80 克的振動(dòng)。

該公司即將推出的 THA 系列進(jìn)一步提高了能量密度，并針對(duì)商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，作為鉭或 SMT 鋁電解電容器陣列的替代品。從概念上講，它共享早期 Flatpack 類型的扁平內(nèi)部設(shè)計(jì)，但其鋁制外殼只有 8 毫米薄。與傳統(tǒng)封裝類型相比， THA 封裝采用激光焊接 以防止電解質(zhì)流失，提供卓越的密封性并延長(zhǎng)使用壽命和保質(zhì)期。這些組件的額定溫度為 85°C，已在額定條件下測(cè)試超過(guò) 5,000 小時(shí)。CDE 計(jì)劃提供 105°C 版本，即 THAS 型，包裹在鋼套中以提供更大的剛性。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于與早期技術(shù)等效的 CV 產(chǎn)品，平面電解可以顯著改善外形（圖 2）和減少電路板空間（圖 3 ）。

圖 2：THA（中）與 SMT 鋁電解（左）和軸向鋁電解電容器組（右）的輪廓和占位面積比較，具有相似的值和額定值（85°C 時(shí)為 35 Vdc）。

圖 3：THA 電容器（左）與 SMT 鋁電解電容器（中）和軸向鋁電解電容器（右）相比，節(jié)省空間和減少元件數(shù)量的潛力很大。

如圖所示，與裝有相同電容和額定電壓（5,800 μF，35 Vdc，85°C）的軸向和 SMT 鋁電解電容器組的電路板相比，THA 系列組件的空間節(jié)省潛力非?？捎^。請(qǐng)注意，在包含鉭和 SMT 器件的電路板上，電容器之間也有很多不可避免的空間。

除了 THA 和 MLSH 組件的緊湊性、緊密密封和穩(wěn)健性之外，使用單個(gè)組件（相對(duì)于多個(gè)組件）大大簡(jiǎn)化了組裝，并通過(guò)減少組件數(shù)量和與電路板的連接點(diǎn)顯著提高系統(tǒng)可靠性。在分組配置中，僅一個(gè)電容器的故障可能會(huì)阻止整個(gè)組的運(yùn)行。

由于未來(lái)的應(yīng)用需要更薄的存儲(chǔ)應(yīng)用，我們將繼續(xù)看到電容器外形的相應(yīng)減少。在不需要完全優(yōu)化的空間和重量要求的地方，圓柱形電容器將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位。即使在扁平封裝設(shè)計(jì)中，也有持續(xù)改進(jìn)的空間。