剖析關(guān)于電容和波紋以及自發(fā)熱

在大多數(shù)應(yīng)用中，紋波是工程師要最大限度抑制的一種電路狀態(tài)。例如，在將交流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流輸出的AC-DC轉(zhuǎn)換器中，要竭力避免AC電源會(huì)以一種小幅、根據(jù)頻率的變化信號(hào)疊加在DC輸出之上的一種現(xiàn)象。然而，在其它情況下，波紋可以是種必要的設(shè)計(jì)功能，例如，時(shí)鐘信號(hào)或數(shù)字信號(hào)就可利用電壓電平的變化來(lái)切換器件的狀態(tài)。在后一種情況，對(duì)波紋的考量可以說(shuō)相當(dāng)簡(jiǎn)單：不要讓峰值電壓超過(guò)電容的額定電壓。然而，重要的是要牢記：峰值電壓是最高紋波電壓與電路中直流偏置電壓之和。另外，對(duì)采用鉭、鋁和鈮氧化物技術(shù)的電解電容來(lái)說(shuō)，還有另一個(gè)需特別注意的地方：不要讓紋波電壓的最小值掉到零電位以下，因?yàn)檫@將導(dǎo)致電容工作在反向偏壓條件。這一要求也適用于低頻應(yīng)用的II類(lèi)陶瓷電容。

電容起著電荷庫(kù)的作用，當(dāng)電壓增加時(shí)，它們被充電；電壓降低時(shí)，它們向負(fù)載放電；它們實(shí)質(zhì)上起著平滑信號(hào)的作用。電容將經(jīng)歷變化的電壓，并根據(jù)施加的電源，還可能有變化的電流，以及連續(xù)和間歇性的脈動(dòng)功率。無(wú)論輸入形式為何，電容電場(chǎng)經(jīng)歷的變化將導(dǎo)致介電材料中偶極子的振蕩，從而產(chǎn)生熱量。這一被稱(chēng)為自發(fā)熱的反應(yīng)行為，是介電性能成為重要指標(biāo)的主要原因之一，因?yàn)槿魏渭纳?a target="_blank">電阻(ESR)或電感(ESL)都將增加能耗。

具有低損耗(即低ESR/DF和低ESL)的電介質(zhì)將比高ESR和DF的電介質(zhì)發(fā)熱少；但這些參數(shù)也隨頻率變化，因?yàn)椴煌殡姴牧显诓煌l率范圍可分別提供最佳性能(即，發(fā)熱最少)。電容電介質(zhì)很薄，就電容的總質(zhì)量來(lái)說(shuō)，它可能僅占一小部分，所以在評(píng)估波紋時(shí)，也需考慮其結(jié)構(gòu)中所用的其它材料。例如，無(wú)極性電容(如陶瓷或薄膜電容)中的電容板是金屬的；而極性電容(如鉭或鋁)，具有一個(gè)金屬陽(yáng)極(而在鈮氧化物技術(shù)中，陽(yáng)極是導(dǎo)電氧化物)和一個(gè)半導(dǎo)體陰極(如二氧化錳或?qū)щ娋酆衔?。在外部連接或引腳上，還有各種導(dǎo)電觸點(diǎn)，包括金屬(如：銅、鎳、銀鈀和錫等)和導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂，當(dāng)AC信號(hào)或電流通過(guò)這些材料時(shí)，它們都會(huì)有一定程度的發(fā)熱。要了解這些因素如何發(fā)揮作用，我們以使用固體鉭電容在直流電源輸出級(jí)平滑殘留AC紋波電流為例。首先，由于這是一種極性技術(shù)，所以需要一個(gè)正電壓偏置，以防止AC分量引起反向偏壓情況的發(fā)生。該偏置電壓通常是電源的額定輸出電壓。

圖1：紋波電壓疊加在偏置電壓上。Voltage:電壓Time:時(shí)間在我們考慮紋波前，我們必須注意由施加的直流偏壓產(chǎn)生的發(fā)熱。電容不是理想器件，一種寄生現(xiàn)象是跨接介電材料的并聯(lián)電阻，該電阻將導(dǎo)致漏電流(DCL)的發(fā)生。這個(gè)小DC電流會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，但是不像其它典型應(yīng)用的紋波狀態(tài)，該發(fā)熱通?？珊雎圆挥?jì)。一個(gè)100uF/10V貼片式鉭電容，在室溫下，其DCL不超過(guò)10uA(100uA@85℃)，所以其最大功耗為1mW。接下來(lái)，我們看由在給定頻率(等于“R”，相同頻率下電容的ESR)下電流的紋波值產(chǎn)生的功耗(等于I2R，其中“I”是電流均方根[rms])。我們以考察一個(gè)正弦紋波電流及其RMS等效值入手。如果在某一頻率，我們使一個(gè)1A Irms的電流流經(jīng)一個(gè)100mΩESR的電容，其產(chǎn)生的功耗是100mW。若連續(xù)供電，基于電容元件結(jié)構(gòu)和封裝材料的熱容量、以及向周?chē)崴扇〉乃写胧?例如：對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射的組合)，該電流將使電容在內(nèi)部發(fā)熱，直到它與周?chē)h(huán)境達(dá)到平衡。在這種情況，紋波發(fā)熱是DC漏電流發(fā)熱的100倍，因此后者(如前所述)可以忽略不計(jì)。然而，當(dāng)評(píng)估一款新電容時(shí)，首選檢查DC漏電流發(fā)熱總是個(gè)選擇。

在定義了決定由所加紋波導(dǎo)致的自發(fā)熱的若干因素后，我們現(xiàn)在可以著手設(shè)置一個(gè)限制。雖然，“多大的紋波就太大了？”這個(gè)問(wèn)題幾乎沒(méi)有固定答案，就像“繩子多長(zhǎng)？”這個(gè)問(wèn)題的答案一樣；所以，標(biāo)準(zhǔn)的方法是只設(shè)定一個(gè)任意的溫度變化，并以此為參考點(diǎn)，以反向推算對(duì)給定的電容來(lái)說(shuō)，需要多大波紋才能引起這種變化。

通常，根據(jù)電容技術(shù)，建議：選擇+10℃或+20℃作為最高溫度增量容限。使用以下參考條件計(jì)算產(chǎn)生上述條件所需的紋波：1）25℃的環(huán)境溫度；2）紋波是連續(xù)正弦波，且其頻率對(duì)應(yīng)于該電容的ESR測(cè)試頻率；3）“自由空間”(即，沒(méi)有散熱器或強(qiáng)制冷卻，并能自由在至少五個(gè)方位[另一個(gè)方位可能焊接到測(cè)試板]進(jìn)行熱輻射)內(nèi)的電容；4）而且，在極性電容器情況下，要施加直流偏壓以確保相關(guān)的紋波電壓不會(huì)在電容上產(chǎn)生任何反向電壓。然后，增加紋波電流并監(jiān)測(cè)器件溫度，直到它在環(huán)境溫度以上其建議的溫度容限點(diǎn)T處達(dá)到平衡。測(cè)得的Irms通常被引用為紋波電流的限制，但在最大電壓標(biāo)定或最大ESR限制意義上，它并非實(shí)際上的限制；其實(shí)，它是一個(gè)可用于作為應(yīng)用評(píng)估基礎(chǔ)的最佳實(shí)踐條件。這種測(cè)量還允許對(duì)電容的功耗和熱阻進(jìn)行計(jì)算。功耗 “P”，由下式給出：對(duì)電容的功耗和熱阻進(jìn)行計(jì)算其中：“R”是電容在紋波頻率的ESR，而熱阻抗是每單位時(shí)間和溫度產(chǎn)生的熱量，單位為℃/W。由上所述，我們可以看出，對(duì)于給定的電容，功耗是頻率的函數(shù)(由于受ESR的影響)。熱阻抗(在此例，是借助經(jīng)驗(yàn)測(cè)得)也可以基于電容的質(zhì)量和其構(gòu)成材料的熱容量計(jì)算出來(lái)。然而，電容的環(huán)境條件(即系統(tǒng)的熱管理)對(duì)電容在應(yīng)用中的發(fā)熱也有著同樣影響。對(duì)體積和構(gòu)成材料相同的電容來(lái)說(shuō)，其熱阻抗是相同的。因此，如果已知ESR，則可計(jì)算相同產(chǎn)品系列各款標(biāo)稱(chēng)參數(shù)電容每單位時(shí)間的功耗，還可通過(guò)熱阻乘以功耗來(lái)計(jì)算預(yù)期溫升。再回到紋波電流測(cè)量，此數(shù)值將能立即指示，所選標(biāo)稱(chēng)值是否可被用于給定應(yīng)用。為能微調(diào)該數(shù)值以符合實(shí)際紋波條件，制造商給出了典型ESR相對(duì)于頻率和ESR相對(duì)于溫度的數(shù)據(jù)，以使ESR可以匹配應(yīng)用條件。此信息通常在數(shù)據(jù)表中的標(biāo)稱(chēng)值項(xiàng)中給出，還可通過(guò)支持用戶(hù)改變頻率和溫度的軟件得到。如果波紋是非正弦、非連續(xù)，或間歇性的(如，脈沖放電)，則設(shè)計(jì)者將需要采用適當(dāng)?shù)淖儞Q方法來(lái)計(jì)算rms等效值或使用峰值作為最壞情況。接著，在將可降低電容溫度的全部強(qiáng)制冷或散熱措施考慮在內(nèi)的情況下，可對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行熱建模；另外要說(shuō)的是，如果電容旁有其它發(fā)熱器件，可能會(huì)增加其溫度。如果缺這兩種散熱方法的任一種的足夠數(shù)據(jù)，那么可采用常常是最準(zhǔn)確的實(shí)證方法。只要使電路工作在最壞條件并借助熱電偶或高溫計(jì)測(cè)量器件溫升高于環(huán)境溫度就可實(shí)現(xiàn)。要確認(rèn)的第一件事是平衡溫度不要高于電容的最高工作溫度，以及相關(guān)的峰值紋波電壓(加上施加的任何偏置電壓)不超過(guò)最高工作電壓。對(duì)許多電容器技術(shù)來(lái)說(shuō)，隨著溫度升高，ESR會(huì)降低，所以ESR對(duì)波紋發(fā)熱的影響會(huì)降低。然而，不是在供應(yīng)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中已將其算計(jì)在內(nèi)，就是并不要求(如果器件是在應(yīng)用中實(shí)際測(cè)量的)。

圖2：貼片鉭電容的散熱模型。Leadframe:引腳框架Solder:焊料tantalumanode:鉭陽(yáng)極printedcircuitboard:印刷電路板e(cuò)ncapsulant:密封材料copper:銅如果器件在所有工作參數(shù)允許范圍內(nèi)工作，則不會(huì)有問(wèn)題；對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，電容的實(shí)際可靠性總是可以根據(jù)它的實(shí)際最高溫度，而非電路的環(huán)境溫度重新計(jì)算。如果計(jì)算或測(cè)量到的溫升高于建議的工作范圍，那么器件雖仍可能能夠工作(如果上述條件得到滿足)，但仍應(yīng)與供應(yīng)商溝通，以確認(rèn)在這種情況下，是否需考慮其他壓力。

波紋應(yīng)用的一些實(shí)際例子

在確定哪些因素影響發(fā)熱后，我們來(lái)看看一些實(shí)際應(yīng)用。

對(duì)低電壓(如1.8V~5.5V電源軌)DC應(yīng)用來(lái)說(shuō)，高容值的片式多層陶瓷電容(MLCC)和固體鉭電解電容是在10kHz到10MHz范圍內(nèi)的直流電源濾波電容的首選。這些技術(shù)能夠以小尺寸在低電壓等級(jí)提供數(shù)百微法(uF)的電容值。X5R片式多層陶瓷電容器的溫度特性支持其實(shí)現(xiàn)特別高的電容值，其典型ESR在1~10 mΩ范圍，但具有85℃的溫度上限。雖然X5R器件的電容值針對(duì)低電壓等級(jí)進(jìn)行了最大化處理，這些電容的一個(gè)特征是：其電容值隨施加電壓(電壓系數(shù))減小，同時(shí)，其電容值還隨工作溫度的升高而減小(溫度系數(shù))。

然而，其ESR仍保持低值，所以波紋電流能力將不會(huì)受到影響。在更青睞低體電容損耗的應(yīng)用中，可使用X7R溫度特性。對(duì)于給定的尺寸和額定電壓，X7R的標(biāo)稱(chēng)電容值比X5R MLCC的低，但電壓系數(shù)的影響會(huì)降低(且如果采用電壓降額用法，還可進(jìn)一步降低)，而當(dāng)工作溫度擴(kuò)展到125℃范圍時(shí)，溫度系數(shù)也將更嚴(yán)苛。固體鉭電解電容是極性器件，需要在紋波應(yīng)用施加直流偏置，它能提供100μf~1mF范圍的極高電容值；而其典型的ESR比MLCC的高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，以氧化鈮電容代替鉭電容是一個(gè)值得考慮的方案。鉭固體電解電容用鉭金屬作為基陽(yáng)極材料(即，正極側(cè)電容器板)，涂覆以五氧化鉭電介質(zhì)，并使用二氧化錳或聚合物膜作為負(fù)電極材料(即，負(fù)極側(cè)電容板)。氧化鈮電容帶導(dǎo)電NbO陽(yáng)極與五氧化二鈮電介質(zhì)。鈮是鉭的同族元素，但密度較低。它們采用類(lèi)似方法加工，并具有類(lèi)似電性能；然而，對(duì)于任何給定的額定電壓，鈮電介質(zhì)更具魯棒性。這意味著：就相同電壓等級(jí)來(lái)說(shuō)，鈮工作時(shí)的電場(chǎng)應(yīng)力比鉭小，且可靠性更高，但也限制了其最高額定電壓并略微增大了其ESR。但在波紋應(yīng)用中，ESR的微小差異被鈮材料的較高比熱和較低熱阻抗所補(bǔ)償。這意味著，類(lèi)似指標(biāo)的鉭和鈮氧化物具有類(lèi)似的紋波性能。在低紋波頻率，X5R或X7R(II級(jí)電介質(zhì))MLCC的典型ESR比鉭或鈮增加的更快。因此，后者更受音頻應(yīng)用的青睞，但由于過(guò)度自發(fā)熱，兩者都不應(yīng)用于低頻應(yīng)用(例如，100Hz以下的線應(yīng)用)。當(dāng)為開(kāi)關(guān)模式應(yīng)用選用較大的層疊陶瓷電容時(shí)，制造商的軟件通常會(huì)在低頻、當(dāng)自發(fā)熱或紋波電壓本身超限時(shí)，發(fā)出警報(bào)，且還可能因使用II類(lèi)陶瓷而未施加直流電壓偏置而得到另一個(gè)警告。II類(lèi)陶瓷電容的介電結(jié)構(gòu)，可以設(shè)想為域的集合，這些域內(nèi)部帶有隨所加AC電壓的變化而相應(yīng)變化的內(nèi)部偶極子。但是，如果沒(méi)有用于補(bǔ)償?shù)腄C偏置，當(dāng)經(jīng)歷反向電壓時(shí)，各個(gè)域?qū)⒎D(zhuǎn)，從而增加了內(nèi)部發(fā)熱。因此，對(duì)于低頻應(yīng)用，因可能需要更低的介電常數(shù)(即，對(duì)于給定的尺寸和電壓/電容值組合具有更低電容值)、更大的尺寸或多個(gè)電容元件的層疊(如層疊開(kāi)關(guān)模式中的陶瓷電容)，所以諸如NP0/C0G等I類(lèi)電介質(zhì)一般是更佳選擇。對(duì)用在DC鏈路應(yīng)用中、500uF~1mF/450V~1kV范圍的大薄膜電容(電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)用逆變器是典型應(yīng)用)來(lái)說(shuō)，紋波電流將使器件發(fā)熱，但其大的質(zhì)量意味著需要考慮其熱時(shí)間常數(shù)。事實(shí)上，在某些情況，在波紋應(yīng)用中，可能需要一個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間電容才達(dá)到平衡溫度。聚丙烯由于其在大紋波電流條件下，極低的功耗和由此產(chǎn)生的低發(fā)熱，通常是首選電介質(zhì)。這種電容通常具有針對(duì)特定車(chē)輛和/或逆變器應(yīng)用的定制規(guī)范。例如，所有的薄膜電容都帶固有的自愈機(jī)制，但是，可以通過(guò)采用金屬電極系統(tǒng)內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)強(qiáng)化這種自愈機(jī)制，這樣總電容表面區(qū)域可分成平行的多個(gè)微元件，以防范短路故障。隨著時(shí)間的推移，長(zhǎng)時(shí)間的高溫和施加電壓會(huì)降低電容值，但如果已知應(yīng)用的忙/閑時(shí)間，則可以精確計(jì)算實(shí)際電容值與標(biāo)稱(chēng)值的誤差并在初始設(shè)計(jì)就予以考慮。結(jié)論總之，紋波一般是你要盡量規(guī)避的電路狀態(tài)。然而，在某些應(yīng)用中，它也可以是一種有效的設(shè)計(jì)功能。