固態導電高分子聚合物電解電容器在LED照明中的應用

     摘要：本文介紹了固態高分子聚合物鋁電解電容器的結構和特點，并就其在LED驅動器的應用作料說明

     關鍵詞：固態高分子聚合物鋁電解電容器 濕式鋁電解電容器  聚噻吩 

          液態電解液  LED驅動器

    以導電高分子聚噻吩薄膜而不是以液態電解液為陰極的鋁電解電容器被稱為導電高分子聚合物固態鋁電解電容器，它除了具備傳統濕式鋁電解電容器的容量大、體積小、價格便宜外，還具有可靠性高、耐高溫、無電解液泄漏產生次生災害，此外由于用聚噻吩膜的電導率（100S/CM)遠大于傳統液態電解液（0.01S/CM），其作為鋁電解電容器的陰極大大改善了鋁電解電容器的特性，這種新型固態鋁電解電容器的出現很好的滿足了電子路的高速化高頻化的發展需要，在高頻開關電源，小型電子整機系統（如小型電子辦公設備、汽車數字化電路、攝象機及通訊設備等）中有著廣泛的應用前景，同樣在LED驅動器電源中亦有著廣闊的應用前景。

   一、固態導電高分子聚合物鋁電解電容器（Solid  Pylomer Al electrolytic Capacitor,以下簡稱SPA電解電容器)結構。

   作為鋁電解電容器大家族中的一支，SPA電解電容器仍然是以在鋁箔表面化成ALO為介質，基金屬AL為正極，聚噻吩膜為陰極的一種鋁電解電容器，當然為了制造和實際使用上的方便，SPA電解電容器包括有隔離紙。充當導電極的負箔（鋁箔表面涂有石墨層的），包覆件、密封件這樣的卷繞式結構與濕式卷繞式鋁電解電容器的結構基本相同，基本結構的示意圖如圖一

聚噻吩膜在隔離紙中也有形成，與負極箔表面的石墨層相連，呂箔涂石墨是為了和聚噻吩膜行成良好的電學接觸。

與濕式卷繞式鋁電解電容不同的有兩點：

?負極箔表面涂有碳層導電（石墨）這僅為了使物理上的陰極（聚噻吩薄膜）與鋁箔之間形成良好的接觸而采取的工藝措施，無別的意義。

?物理學意義上陰極液態電解液變成了固態的聚合物充滿了正極箔上的AeO氧化層孔洞中。

以上兩個差異點中第二點是造成濕式鋁電解電容與SPA電解電容性能不同的主要原因。

一般液態電解液的導電是依靠溶質（一般是鹽類）在溶劑中溶解發生電離，產生正負離子，液態電解液離子的在電場作用下受力定向移動而導電，故電解液的導電能力受溶質在溶劑中的溶解度影響較大，而溶質在溶劑中的溶解度受溫度影響變化較大，故濕式鋁電解電容器特性受溫度影響變化較大。再一點離子質量大在溶液中運動慣性大，受到的碰撞多，故鋁電解電容器的特性受所加電壓的頻率變化較大。

與液態電解液區別最大的是高分子聚噻吩是一種具有導電性的聚合物，其結構上擁有延長共軛雙鍵，離域π鍵電子不受原子束縛能在聚合鏈上自由移動，經過摻雜之后可移走電子產生空穴，或添加電子，使電子或空穴在分子鏈上自由移動，從而形成導電分子，即聚噻吩導電是電子型導電，這才是固態高分子導電聚合物電解電容器的有根本的區別原因。

二、與濕式鋁電解電容器相比，SPA電解電容器有以下5個主要優點：

   1、由于SPA是電子導電，聚合物膜具有良導體的性質，故SPA的ESR相比同規格體積的濕式鋁電解電容器，其ESR要小幾個數量級，可達mΩ級。

   2、作為電解液充當物理學負極的聚噻吩膜的電導率很高，ESR得到了極大的改善，同時因電子質量很小，故其在電場作用下運動速度相比離子要快很多，故SPA的頻率特性接近薄膜電容器。

   3、由于SPA的ESR與濕式鋁電解電容器相比極小，故在相同（與濕式鋁電解電容器）紋波電流的情況下其發熱量也較少，相比而言更能承受比較大的紋波電流。

   4、穩定的溫度特性，在較寬頻率范圍的有穩定的頻率特性。

   5、一只SPA電解電容器的耐紋波能力（額定紋波電流）和ESR相當于7到9只相同規格體積的標準濕式鋁電解電容器相并聯，這在某些情況下是一種節省成本的好方法，減少電解電容器的用量不僅減少了成本，更是節約了空間，在機器設備小型化，便攜化的今天，這點是更有重大意義。

三、以上幾點優勢使SPA在開關電源，汽車數字化電路中得到廣泛的應用，同樣的也在LED驅動器中大有做為。

    LED驅動電路作為開關電源的一支，有其自身的特點，作為LED照明的戶外路燈照明在氣候寒冷的北方冬天往往會發生路燈不能工作或不工作的現象，窮其原因使用濕式鋁電解電容器是造成這個問題的原因之一。

大多數有源驅動的IC工作的供電是以圖a所示方式獲得。

當母線上加上工作電壓E時，通過電阻RR對C充電，當C上的電壓高于IC的國值電壓時，C對IC第8腳放電，IC開始工作，驅動開關管，變壓器里同時感應出高頻電壓，經二極管整流通電，C濾波提供給8腳啟動時，C上的電壓變化波形如圖2.

顯然C耐壓的選擇以至少要大于IC的最高工作電壓。

容量的選擇要考慮兩個因素，1、是啟動時間，2、容量大

通電瞬間RR對C1充電時間（R+R)C`就大，燈要延遲啟動， 因C1上的電壓大于IC的閾值電壓時要對IC放電，C1容量過大，放電的能量也就大，長期使用可能會造成IC損傷，壽命縮短，這是用戶不希望的，故C不能選取的能量過大，C的容量若小，當其上電壓達到IC的閾值電壓，C1容量過小，放電的能量也就小，當環境溫度很低時，從C1的容量就變小，此時IC 

                                  圖2

就可能不工作，或工作不正常，造成燈不亮或閃爍。選用SPA電解電容的出現化解了這個矛盾，因SPA電解電容有良好的溫度特性，也就是說其容量隨溫度變化小，穩定。其溫度特性如圖3：

                      圖3

選用SPA電解電容器合理的容量就可以保證常溫和低溫下的正常起動又不會對ic 造成傷害！

  LED驅動器中大多數是采用將市電整流濾波再逆變成高頻再變壓整流供發光管使用的工作方式，對高頻變壓整流之后電壓仍需要濾波，此時，高頻整流之后電壓中且含有高頻交變成分，如果不能很好的濾除則輸出的直流電壓中有大量的紋波和噪聲存在，會使LED發光不穩定，為了消除這些紋波，都在LED驅動器輸出端大量使用濕式鋁電解電容器來濾波。

  由于濕式鋁電解電容器固有的液態電解液是離子導電，故其頻率特性較差，在頻率較高場合下使用容量要大幅衰減，損耗大幅上升（濕式鋁電解電容器一般用于頻率低于100KHz的場合濾波），考慮到這些因素LED驅動器輸出端濾波因濕式鋁電解電容器容量一般選取都較大，一般在幾百~幾千微法，這些帶來體積大，發熱多的弊端，也可能因環境溫度的變低，造成LED發光不穩定的現象，一般的LED輸出濾波電路如圖4.

                                   圖4

圖中C1-C2-470μF/50V ,為·濕式鋁電解電容器，輸出端上的電壓如圖5：

                          圖5

     將C1和C2換成220μF/50V的SPA電解電容器，其他的條件一律不變，則輸出端的電壓如圖6

                         圖6

圖5 圖6相比較電壓有效值相差不大，（圖6中有效值比圖5中的有效值大0.4V)圖5中的峰峰值15.2V大于圖6中的峰峰值14.0V，這說名雖然SPA電解電容器容量小了，但濾波的效果更好，除此而外，由于SPA電解電容器的ESR相比濕式鋁電解電容器要小很多，故在相同紋波電流下溫升就低，這對長壽命的LED 驅動器很重要。

由上面的例子可以看出相比濕式鋁電解電容器，LED 驅動器中高頻部分更宜用固態導電高分子聚合物鋁電解電容器。

  參考文獻：（（PA-CaP聚合物固體片式鋁電解電容器在開關電源中的應用實驗））福建國光電子科技有限公司：陳由雄  《世界電子元器件》》

                                                 2005  11