固态导电高分子聚合物电解电容器在LED照明中的应用
摘要：本文介绍了固态高分子聚合物铝电解电容器的结构和特点，并就其在LED驱动器的应用作料说明
关键词：固态高分子聚合物铝电解电容器 湿式铝电解电容器 聚噻吩
液态电解液 LED驱动器
以导电高分子聚噻吩薄膜而不是以液态电解液为阴极的铝电解电容器被称为导电高分子聚合物固态铝电解电容器，它除了具备传统湿式铝电解电容器的容量大、体积小、价格便宜外，还具有可靠性高、耐高温、无电解液泄漏产生次生灾害，此外由于用聚噻吩膜的电导率（100S/CM)远大于传统液态电解液（0.01S/CM），其作为铝电解电容器的阴极大大改善了铝电解电容器的特性，这种新型固态铝电解电容器的出现很好的满足了电子路的高速化高频化的发展需要，在高频开关电源，小型电子整机系统（如小型电子办公设备、汽车数字化电路、摄象机及通讯设备等）中有着广泛的应用前景，同样在LED驱动器电源中亦有着广阔的应用前景。
一、固态导电高分子聚合物铝电解电容器（Solid Pylomer Al electrolytic Capacitor,以下简称SPA电解电容器)结构。
作为铝电解电容器大家族中的一支，SPA电解电容器仍然是以在铝箔表面化成AL
O
为介质，基金属AL为正极，聚噻吩膜为阴极的一种铝电解电容器，当然为了制造和实际使用上的方便，SPA电解电容器包括有隔离纸。充当导电极的负箔（铝箔表面涂有石墨层的），包覆件、密封件这样的卷绕式结构与湿式卷绕式铝电解电容器的结构基本相同，基本结构的示意图如图一
聚噻吩膜在隔离纸中也有形成，与负极箔表面的石墨层相连，吕箔涂石墨是为了和聚噻吩膜行成良好的电学接触。
与湿式卷绕式铝电解电容不同的有两点：
负极箔表面涂有碳层导电（石墨）这仅为了使物理上的阴极（聚噻吩薄膜）与铝箔之间形成良好的接触而采取的工艺措施，无别的意义。
‚物理学意义上阴极液态电解液变成了固态的聚合物充满了正极箔上的Ae
O
氧化层孔洞中。
以上两个差异点中第二点是造成湿式铝电解电容与SPA电解电容性能不同的主要原因。
一般液态电解液的导电是依靠溶质（一般是盐类）在溶剂中溶解发生电离，产生正负离子，液态电解液离子的在电场作用下受力定向移动而导电，故电解液的导电能力受溶质在溶剂中的溶解度影响较大，而溶质在溶剂中的溶解度受温度影响变化较大，故湿式铝电解电容器特性受温度影响变化较大。再一点离子质量大在溶液中运动惯性大，受到的碰撞多，故铝电解电容器的特性受所加电压的频率变化较大。
与液态电解液区别最大的是高分子聚噻吩是一种具有导电性的聚合物，其结构上拥有延长共轭双键，离域π键电子不受原子束缚能在聚合链上自由移动，经过掺杂之后可移走电子产生空穴，或添加电子，使电子或空穴在分子链上自由移动，从而形成导电分子，即聚噻吩导电是电子型导电，这才是固态高分子导电聚合物电解电容器的有根本的区别原因。
二、与湿式铝电解电容器相比，SPA电解电容器有以下5个主要优点：
1、由于SPA是电子导电，聚合物膜具有良导体的性质，故SPA的ESR相比同规格体积的湿式铝电解电容器，其ESR要小几个数量级，可达mΩ级。
2、作为电解液充当物理学负极的聚噻吩膜的电导率很高，ESR得到了极大的改善，同时因电子质量很小，故其在电场作用下运动速度相比离子要快很多，故SPA的频率特性接近薄膜电容器。
3、由于SPA的ESR与湿式铝电解电容器相比极小，故在相同（与湿式铝电解电容器）纹波电流的情况下其发热量也较少，相比而言更能承受比较大的纹波电流。
4、稳定的温度特性，在较宽频率范围的有稳定的频率特性。
5、一只SPA电解电容器的耐纹波能力（额定纹波电流）和ESR相当于7到9只相同规格体积的标准湿式铝电解电容器相并联，这在某些情况下是一种节省成本的好方法，减少电解电容器的用量不仅减少了成本，更是节约了空间，在机器设备小型化，便携化的今天，这点是更有重大意义。
三、以上几点优势使SPA在开关电源，汽车数字化电路中得到广泛的应用，同样的也在LED驱动器中大有做为。
LED驱动电路作为开关电源的一支，有其自身的特点，作为LED照明的户外路灯照明在气候寒冷的北方冬天往往会发生路灯不能工作或不工作的现象，穷其原因使用湿式铝电解电容器是造成这个问题的原因之一。
大多数有源驱动的IC工作的供电是以图a所示方式获得。
当母线上加上工作电压E时，通过电阻R
R
对C
充电，当C
上的电压高于IC的国值电压时，C
对IC第8脚放电，IC开始工作，驱动开关管，变压器里同时感应出高频电压，经二极管整流通电，C
滤波提供给8脚启动时，C
上的电压变化波形如图2.
显然C
耐压的选择以至少要大于IC的最高工作电压。
容量的选择要考虑两个因素，1、是启动时间，2、容量大
通电瞬间R
R
对C1充电时间（R
+R
)C`就大，灯要延迟启动， 因C1上的电压大于IC的阈值电压时要对IC放电，C1容量过大，放电的能量也就大，长期使用可能会造成IC损伤，寿命缩短，这是用户不希望的，故C
不能选取的能量过大，C
的容量若小，当其上电压达到IC的阈值电压，C1容量过小，放电的能量也就小，当环境温度很低时，从C1的容量就变小，此时IC
图2
就可能不工作，或工作不正常，造成灯不亮或闪烁。选用SPA电解电容的出现化解了这个矛盾，因SPA电解电容有良好的温度特性，也就是说其容量随温度变化小，稳定。其温度特性如图3：
图3
选用SPA电解电容器合理的容量就可以保证常温和低温下的正常起动又不会对ic 造成伤害！
LED驱动器中大多数是采用将市电整流滤波再逆变成高频再变压整流供发光管使用的工作方式，对高频变压整流之后电压仍需要滤波，此时，高频整流之后电压中且含有高频交变成分，如果不能很好的滤除则输出的直流电压中有大量的纹波和噪声存在，会使LED发光不稳定，为了消除这些纹波，都在LED驱动器输出端大量使用湿式铝电解电容器来滤波。
由于湿式铝电解电容器固有的液态电解液是离子导电，故其频率特性较差，在频率较高场合下使用容量要大幅衰减，损耗大幅上升（湿式铝电解电容器一般用于频率低于100KHz的场合滤波），考虑到这些因素LED驱动器输出端滤波因湿式铝电解电容器容量一般选取都较大，一般在几百~几千微法，这些带来体积大，发热多的弊端，也可能因环境温度的变低，造成LED发光不稳定的现象，一般的LED输出滤波电路如图4.
图4
图中C1-C2-470μF/50V ,为·湿式铝电解电容器，输出端上的电压如图5：
图5
将C1和C2换成220μF/50V的SPA电解电容器，其他的条件一律不变，则输出端的电压如图6
图6
图5 图6相比较电压有效值相差不大，（图6中有效值比图5中的有效值大0.4V)图5中的峰峰值15.2V大于图6中的峰峰值14.0V，这说名虽然SPA电解电容器容量小了，但滤波的效果更好，除此而外，由于SPA电解电容器的ESR相比湿式铝电解电容器要小很多，故在相同纹波电流下温升就低，这对长寿命的LED 驱动器很重要。
由上面的例子可以看出相比湿式铝电解电容器，LED 驱动器中高频部分更宜用固态导电高分子聚合物铝电解电容器。
参考文献：（（PA-CaP聚合物固体片式铝电解电容器在开关电源中的应用实验））福建国光电子科技有限公司：陈由雄 《世界电子元器件》》
2005 11
