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

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

這在采購電容器時尤其困難，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的最小電容要求。然而，電容器制造技術和工藝正在改進，導致重新發(fā)明了不起眼的鋁電解電容器，以實現(xiàn)更扁平的封裝樣式，以幫助電源設計人員滿足他們的設計需求。

電解電容器的發(fā)展在過去十年中，電容器的技術進步不斷增加，有助于縮小組件尺寸。例如，材料規(guī)格的改進（例如用于鋁電解的高增益陽極箔）有助于在給定電容器尺寸下實現(xiàn)更高的 CV（電容 * 電壓）額定值。新電解質系統(tǒng)的開發(fā)和應用以及改進的引線連接技術有助于降低 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過熱。通常，這些進步已應用于現(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，圓柱形封裝一直是其主要外形因素。雖然這種設計理念促進了高效制造，但它也為尋求顯著減小尺寸以及大幅延長使用壽命的組件設計人員帶來了挑戰(zhàn)。此外，電解液歷來會隨著時間的推移而變干，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)鋁電解電容器的構造方式是很有用的。兩層經(jīng)過特殊蝕刻的鍍鋁箔由絕緣紙層（浸漬有液體電解質）隔開，纏繞在一起形成圓柱體，并封裝在鋁制外殼中。一個箔有一個氧化層，它成為陽極；第二個是陰極。陰極和陽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。外殼還有一個通風口，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固，能夠承受各種操作條件，同時將其電解質保持在組件內(nèi)。這種封裝技術會占用大量空間。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，與之競爭的技術，尤其是鉭電容器，已經(jīng)實現(xiàn)了更高的能量密度和更低的每 CV 成本，尤其是在它們主導大容量存儲和濾波的板級應用的較低電壓下。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)以滿足所服務設備的保持要求。必須考慮在降低高度和電路板空間之間進行權衡，因為并聯(lián)電容器之間的間距會進一步降低大容量存儲和濾波所需的總電容解決方案的能量密度。

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

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 技術使用扁平電容器繞組來創(chuàng)建具有焊接密封的高能量密度設計， 以防止電容器在電容器的整個生命周期中流失——其圓柱形前身的致命弱點。

焊接密封消除了對墊圈的需求，從而進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用，非常堅固耐用，并且在機載電源以及艦載和地面雷達系統(tǒng)的最關鍵應用中具有成熟的性能。在過去的二十年里，F(xiàn)latpacks 在取代濕鉭電容器方面取得了進展，而濕鉭電容器以前是唯一具有密封和堅固封裝的高電容類型。扁平、堅固、高可靠性電容器的出現(xiàn)已經(jīng)幫助軍用產(chǎn)品設計人員縮小了電路板設計、減輕了重量并提高了系統(tǒng)可靠性。

最近，CDE 在扁平電容器設計和封裝技術方面取得了多項進步，進一步縮小了組件尺寸。一個重要的例子是使用玻璃到金屬密封件將密封技術從“近密封”改進為“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 105°C 壽命測試期間所獲得數(shù)據(jù)的電解質損失比較（按重量測量）。

它們采用玻璃對金屬密封，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。電容值達到 3,200 μF，額定電壓高達 250 Vdc。封裝尺寸小至 1.0 x 0.5 x 1.5 英寸，可承受高達 80 克的振動。

該公司即將推出的 THA 系列進一步提高了能量密度，并針對商業(yè)和工業(yè)應用，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)部設計，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 以防止電解質流失，提供卓越的密封性并延長使用壽命和保質期。這些組件的額定溫度為 85°C，已在額定條件下測試超過 5,000 小時。CDE 計劃提供 105°C 版本，即 THAS 型，包裹在鋼套中以提供更大的剛性。

一般來說，對于與早期技術等效的 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)省潛力非常可觀。請注意，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，使用單個組件（相對于多個組件）大大簡化了組裝，并通過減少組件數(shù)量和與電路板的連接點顯著提高系統(tǒng)可靠性。在分組配置中，僅一個電容器的故障可能會阻止整個組的運行。

由于未來的應用需要更薄的存儲應用，我們將繼續(xù)看到電容器外形的相應減少。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)主導地位。即使在扁平封裝設計中，也有持續(xù)改進的空間。