铝电解电容基本特性分享

铝电解电容是目前除了陶瓷电容之外用得最广泛的电容品种了，因此，作为硬件工程师，必须熟练的掌握其特性。

笔者结合自身经验，通过查阅各种资料，针对硬件设计需要掌握的重点及难点，总结了此文档。通过写文档，目的是能够使自己的知识更具有系统性，温故而知新，同时也希望对读者有所帮助，大家一起学习和进步。

2、铝电解电容器概述

2.1、基本模型

电容器是无源器件，在各种电容器中，铝电解电容器与其他电容器相比，相同尺寸时，CV值更大，价格更便宜。电容器的基本模型如图所示。

静电容量计算式如下：

其中，为介电常数，S为两极板正对表面积，d为两极板件距离（电介质厚度）。

从式中可以看出：静电容量与介电常数，极板表面积成正比、与两极板间距离成反比。作为铝电解电容器的电介质氧化膜(Al2O3)的介电常数通常为8~10，这个值一般不比其他类型的电容器大，但是，通过对铝箔进行蚀刻扩大表面积，并使用电化学的处理得到更薄更耐电压的氧化电介质层，使铝电解电容器可以取得比其他电容器更大的单位面积CV值。

铝电解电容器主要构成如下：

阳极-----铝箔

电介质---阳极铝箔表面形成的氧化膜（Al2O3)

阴极-----真正的阴极是电解液

其他的组成成分包括浸有电解液的电解纸，和电解液相连的阴极箔。综上所述，铝电解电容器是有极性的非对称构造的元件。两个电极都使用阳极铝箔的是两极性（无极性）电容。

2.2、基本构造

铝电解电容器素子的构造如图所示，由阳极箔，电解纸，阴极箔和端子（内外部端子）卷绕在一起含浸电解液后装入铝壳，再用橡胶密封而成。

2.3、材料的特性

铝箔是铝电解电容器主要材料，将铝箔设置为阳极，在电解液中通电后，铝箔的表面会形成氧化膜(Al2O3)，此氧化膜的功能为电介质。

形成氧化膜后的铝箔在电解液中是具有整流特性的金属，就像是一个二极管，被称之为阀金属。

①阳极铝箔

首先，为了扩大表面积，将铝箔材料置于氯化物水溶液中进行电化学蚀刻。然后，在硼酸铵溶液中施加高于额定电压的电压后，在铝箔表面形成电介质氧化层（Al2O3），这个电介质层是很薄很致密的氧化膜，大概1.1~1.5nm/V , 绝缘电阻大约为10^8~10^9Ω /m。氧化层的厚度和耐压成正比。

②阴极铝箔

同阳极箔一样，阴极铝箔同样有蚀刻的程序，但是没有氧化的程序。因此，阴极铝箔表面只有少量的自然氧化形成的(Al2O3)，能承受的电压只有0.5V左右。

③电解液

电解液是由离子导电的液体，是真正意义上的阴极，起着连接阳极铝箔表面电介质层的作用。而阴极铝箔类似集电极一样起着连接真正阴极和内部电路的作用。电解液是决定电容器特性（温度特性，频率特性，使用寿命等）的关键材料。

④电解纸

电解纸主要起着均衡电解液的分布并保持阴极箔和阳极箔间隔的作用。

2.4、制作过程

①蚀刻（扩大表面积）

蚀刻的作用是扩大铝箔表面积。蚀刻是在氯化物溶液中施加交流或直流电流的电化学过程。

②化成（形成电介质层）

化成是在阳极铝箔表面形成电介质层（Al2O3）的过程。一般将化成过的铝箔作为阳极使用。

③裁剪

按照不同产品的尺寸要求将铝箔（阴极箔和阳极箔）和电解纸剪切为需要的尺寸。

④卷绕

将阴极箔和阳极箔之间插入电解纸，然后卷绕成圆柱形，在卷绕工艺上阴极箔和阳极箔上连接端子。

⑤含浸

含浸是将素子浸入电解液中的过程。电解液能对电介质层进一步修复。

⑥密封

密封是将素子装入铝壳中后用封口材料（橡胶，橡胶盖等）密封的过程。

⑦老化（再化成）

老化是对密封后的电容器在高温下施加电压的过程。这个过程能将裁剪和卷绕过程时电介质层的一些受损进行修复。

⑧全检，包装

老化之后，将对所有产品进行电气特性检查。并进行端子加工，编带等。最后进行包装。

3、基本特性

3.1、静电容量

电极表面积越大，容量（储存电荷的能力）越大。铝电解电容器的静电容量值是在20℃，120Hz /0.5V的交流电条件下测试的值。

①温度升高，容量也会升高；温度降低，容量也会降低。

②频率越高，容量越小；频率越低，容量越大。

3.2、损耗角

电解电容等效电路如上图（忽略了绝缘电阻），当频率为120Hz（一般电容器标称的损耗角就是在此频率下测得的）时，频率相对等效串联电感L非常低，因此可以忽略L，损耗角模型如下图：

可以得到损耗角公式：

损耗角与温度的关系如下图，温度越高，损耗角越小。

在低温的时候，可以看到损耗角变大很多，在20℃时是0.05，在-40℃时是0.09，根据公式说明ESR增大了接近1倍。

3.3、漏电流

漏电流是铝电解电容器特性之一，当施加直流电压时，电介质氧化层允许很小的电流通过，这一部分小电流称为漏电流。理想的电容器是不会产生漏电流的情况（和充电电流不一样，即使电压恒定，这个电流也是持续存在的）。

漏电流会随时间而变化，如图所示、随时间而减小后会达到一个稳定值。因此，漏电流的规格值为20℃下施加额定电压一段时间之后所测量的值。

当温度升高时，漏电流增加；温度降低，漏电流减少施加的电压降低，漏电流值也会减少。

3.4、阻抗-频率曲线

根据模型，电容器的复阻抗为：

阻抗的模值：

画出阻抗-频率曲线如下图：

1/ωC是容抗，图中容抗的直线向下角成45°角。ωL是感抗、它的直线向右上角成45°角。R代表等效串联电阻。在低频率区间，有频率依存性的电介质损失影响大，因而R曲线向下。在高频区间，电解液和电解纸的阻值占主导地位，不再受频率的影响，因而R值趋于稳定。

4、普通铝电解电容参数

厂家一般都有各种系列的电解电容，低ESR的，长寿命的，高温的。而普通品是性能最低的，是最便宜的，一般温度和寿命参数是85℃/105℃-1000h/2000h、本节这里说的也是这种铝电解电容。

4.1、ESR参数

首先，一般厂家是不会直接给出普通铝电解电容的ESR值，但是会给出损耗角参数，此时的损耗角是在120Hz时的（损耗角与频率有关系）。

下面是几个品牌的最普通的铝电解电容100uF-16V的参数，按照上述方法计算得120Hz的ESR值如下表。

可以看到，如果容值和额定电压值确定，各个厂家的ESR相差不大。

另外，也可以发现，封装（尺寸大小）不同，对ESR的影响不会太大，但是会影响纹波电流的大小，尺寸大，能更抗热，纹波电流自然也越大。

那么不同容量，不同电压的铝电解电容的ESR的大小是多少呢？

从上述表格也可以得出如下结论：

①容量越大，ESR值越小。

②额定电压越大，ESR值越小。

需要说明的是这个ESR值是在120Hz情况下的，如果频率升高， ESR是会有所下降，看上一章节ESR与频率的曲线图，在100Khz大致下降到120hz的1/2-1/4（这个比例数据很粗糙）左右。

4.2、额定纹波电流

不同于MLCC陶瓷电容，铝电解电容需要注意额定纹波电流，它是有效值，不能超规格使用。铝电解电容的ESR相对比较大，因此，如果纹波电流比较大的话，内部发热严重，会导致电容器失效、因此每个制品都设定有额定的纹波电流。

额定纹波电流与封装大小和ESR值有关系

ESR越小，额定纹波电流越大。

封装越大，额定纹波电流越大。

因为电流纹波会造成自我温升，下表为各两种周围温度下的自我温升的△T界限值（一般情况，仅供参考）

虽然有一些系列降低周围温度可以施加超过额定的纹波电流，但自我温升△T升高的话，寿命就会变短。△T在各种周围温度下都有其规定界限值，请在使用中不要超过其界限值。

自我温升△T计算公式如下：

Io：在工作上限温度时的使使用频率系数修正后的额定纹波电流Arms。

Ix：实际使用时的纹波电流Arms。

△To：叠加额定纹波电流时的自我温升。

普通铝电解电容标称的额定纹波电流是在120Hz的值，那其它频率额定电流纹波值是怎么样的呢？一般厂家会在规格书给出一个纹波电流频率校正系数。

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