【導讀】電容、波紋、自發(fā)熱都是生活中常見的元器件或者物理量。本文就深度解析電容、波紋、自發(fā)熱的三大因素。紋波的評估是圍繞紋波電流和紋波電壓兩部分展開的。至于電容和自發(fā)熱的細節(jié)通小編一一道來。
在大多數應用中，紋波是工程師要最大限度抑制的一種電路狀態(tài)。例如，在將交流電源轉換成穩(wěn)定直流輸出的AC-DC轉換器中，要竭力避免AC電源會以一種小幅、根據頻率的變化信號疊加在DC輸出之上的一種現象。然而，在其它情況下，波紋可以是種必要的設計功能，例如，時鐘信號或數字信號就可利用電壓電平的變化來切換器件的狀態(tài)。
在后一種情況，對波紋的考量可以說相當簡單：不要讓峰值電壓超過電容的額定電壓。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，對采用鉭、鋁和鈮氧化物技術的電解電容來說，還有另一個需特別注意的地方：不要讓紋波電壓的最小值掉到零電位以下，因為這將導致電容工作在反向偏壓條件。這一要求也適用于低頻應用的II類陶瓷電容。
電容起著電荷庫的作用，當電壓增加時，它們被充電；電壓降低時，它們向負載放電；它們實質上起著平滑信號的作用。電容將經歷變化的電壓，并根據施加的電源，還可能有變化的電流，以及連續(xù)和間歇性的脈動功率。無論輸入形式為何，電容電場經歷的變化將導致介電材料中偶極子的振蕩，從而產生熱量。這一被稱為自發(fā)熱的反應行為，是介電性能成為重要指標的主要原因之一，因為任何寄生電阻(ESR)或電感(ESL)都將增加能耗。
具有低損耗(即低ESR/DF和低ESL)的電介質將比高ESR和DF的電介質發(fā)熱少；但這些參數也隨頻率變化，因為不同介電材料在不同頻率范圍可分別提供最佳性能(即，發(fā)熱最少)。
電容電介質很薄，就電容的總質量來說，它可能僅占一小部分，所以在評估波紋時，也需考慮其結構中所用的其它材料。例如，無極性電容(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)，具有一個金屬陽極(而在鈮氧化物技術中，陽極是導電氧化物)和一個半導體陰極(如二氧化錳或導電聚合物)。在外部連接或引腳上，還有各種導電觸點，包括金屬(如：銅、鎳、銀鈀和錫等)和導電環(huán)氧樹脂，當AC信號或電流通過這些材料時，它們都會有一定程度的發(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平滑殘留AC紋波電流為例。首先，由于這是一種極性技術，所以需要一個正電壓偏置，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。
在我們考慮紋波前，我們必須注意由施加的直流偏壓產生的發(fā)熱。電容不是理想器件，一種寄生現象是跨接介電材料的并聯電阻，該電阻將導致漏電流(DCL)的發(fā)生。這個小DC電流會導致發(fā)熱，但是不像其它典型應用的紋波狀態(tài)，該發(fā)熱通常可忽略不計。一個100uF/10V貼片式鉭電容，在室溫下，其DCL不超過10uA(100uA@85℃)，所以其最大功耗為1mW。
接下來，我們看由在給定頻率(等于“R”，相同頻率下電容的ESR)下電流的紋波值產生的功耗(等于I2R，其中“I”是電流均方根[rms])。
我們以考察一個正弦紋波電流及其RMS等效值入手。如果在某一頻率，我們使一個1A Irms的電流流經一個100mΩESR的電容，其產生的功耗是100mW。若連續(xù)供電，基于電容元件結構和封裝材料的熱容量、以及向周圍散熱所采取的所有措施(例如：對流、傳導和輻射的組合)，該電流將使電容在內部發(fā)熱，直到它與周圍環(huán)境達到平衡。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。然而，當評估一款新電容時，首選檢查DC漏電流發(fā)熱總是個選擇。
在定義了決定由所加紋波導致的自發(fā)熱的若干因素后，我們現在可以著手設置一個限制。雖然，“多大的紋波就太大了？”這個問題幾乎沒有固定答案，就像“繩子多長？”這個問題的答案一樣；所以，標準的方法是只設定一個任意的溫度變化，并以此為參考點，以反向推算對給定的電容來說，需要多大波紋才能引起這種變化。
通常，根據電容技術，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算產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，且其頻率對應于該電容的ESR測試頻率；
3）“自由空間”(即，沒有散熱器或強制冷卻，并能自由在至少五個方位[另一個方位可能焊接到測試板]進行熱輻射)內的電容；
4）而且，在極性電容器情況下，要施加直流偏壓以確保相關的紋波電壓不會在電容上產生任何反向電壓。
然后，增加紋波電流并監(jiān)測器件溫度，直到它在環(huán)境溫度以上其建議的溫度容限點T處達到平衡。
測得的Irms通常被引用為紋波電流的限制，但在最大電壓標定或最大ESR限制意義上，它并非實際上的限制；其實，它是一個可用于作為應用評估基礎的最佳實踐條件。
這種測量還允許對電容的功耗和熱阻進行計算。功耗 “P”，由下式給出：
其中：“R”是電容在紋波頻率的ESR，而熱阻抗是每單位時間和溫度產生的熱量，單位為℃/W。
由上所述，我們可以看出，對于給定的電容，功耗是頻率的函數(由于受ESR的影響)。熱阻抗(在此例，是借助經驗測得)也可以基于電容的質量和其構成材料的熱容量計算出來。然而，電容的環(huán)境條件(即系統的熱管理)對電容在應用中的發(fā)熱也有著同樣影響。
對體積和構成材料相同的電容來說，其熱阻抗是相同的。因此，如果已知ESR，則可計算相同產品系列各款標稱參數電容每單位時間的功耗，還可通過熱阻乘以功耗來計算預期溫升。
再回到紋波電流測量，此數值將能立即指示，所選標稱值是否可被用于給定應用。為能微調該數值以符合實際紋波條件，制造商給出了典型ESR相對于頻率和ESR相對于溫度的數據，以使ESR可以匹配應用條件。此信息通常在數據表中的標稱值項中給出，還可通過支持用戶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)，則設計者將需要采用適當的變換方法來計算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制冷或散熱措施考慮在內的情況下，可對該系統進行熱建模；另外要說的是，如果電容旁有其它發(fā)熱器件，可能會增加其溫度。
[page]
如果缺這兩種散熱方法的任一種的足夠數據，那么可采用常常是最準確的實證方法。只要使電路工作在最壞條件并借助熱電偶或高溫計測量器件溫升高于環(huán)境溫度就可實現。
要確認的第一件事是平衡溫度不要高于電容的最高工作溫度，以及相關的峰值紋波電壓(加上施加的任何偏置電壓)不超過最高工作電壓。對許多電容器技術來說，隨著溫度升高，ESR會降低，所以ESR對波紋發(fā)熱的影響會降低。然而，不是在供應商的數據手冊中已將其算計在內，就是并不要求(如果器件是在應用中實際測量的)。
圖2：貼片鉭電容的散熱模型。
Lead frame: 引腳框架
Solder: 焊料
tantalum anode: 鉭陽極
printed circuit board: 印刷電路板
encapsulant: 密封材料
copper: 銅
如果器件在所有工作參數允許范圍內工作，則不會有問題；對于關鍵應用，電容的實際可靠性總是可以根據它的實際最高溫度，而非電路的環(huán)境溫度重新計算。如果計算或測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)，但仍應與供應商溝通，以確認在這種情況下，是否需考慮其他壓力。
在確定哪些因素影響發(fā)熱后，我們來看看一些實際應用。
對低電壓(如1.8V~5.5V電源軌)DC應用來說，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范圍內的直流電源濾波電容的首選。這些技術能夠以小尺寸在低電壓等級提供數百微法(uF)的電容值。X5R片式多層陶瓷電容器的溫度特性支持其實現特別高的電容值，其典型ESR在1~10 mΩ范圍，但具有85℃的溫度上限。雖然X5R器件的電容值針對低電壓等級進行了最大化處理，這些電容的一個特征是：其電容值隨施加電壓(電壓系數)減小，同時，其電容值還隨工作溫度的升高而減小(溫度系數)。
然而，其ESR仍保持低值，所以波紋電流能力將不會受到影響。在更青睞低體電容損耗的應用中，可使用X7R溫度特性。對于給定的尺寸和額定電壓，X7R的標稱電容值比X5R MLCC的低，但電壓系數的影響會降低(且如果采用電壓降額用法，還可進一步降低)，而當工作溫度擴展到125℃范圍時，溫度系數也將更嚴苛。
固體鉭電解電容是極性器件，需要在紋波應用施加直流偏置，它能提供100μf~1mF范圍的極高電容值；而其典型的ESR比MLCC的高一個數量級。因此，以氧化鈮電容代替鉭電容是一個值得考慮的方案。鉭固體電解電容用鉭金屬作為基陽極材料(即，正極側電容器板)，涂覆以五氧化鉭電介質，并使用二氧化錳或聚合物膜作為負電極材料(即，負極側電容板)。
氧化鈮電容帶導電NbO陽極與五氧化二鈮電介質。鈮是鉭的同族元素，但密度較低。它們采用類似方法加工，并具有類似電性能；然而，對于任何給定的額定電壓，鈮電介質更具魯棒性。這意味著：就相同電壓等級來說，鈮工作時的電場應力比鉭小，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償。這意味著，類似指標的鉭和鈮氧化物具有類似的紋波性能。
在低紋波頻率，X5R或X7R(II級電介質)MLCC的典型ESR比鉭或鈮增加的更快。因此，后者更受音頻應用的青睞，但由于過度自發(fā)熱，兩者都不應用于低頻應用(例如，100Hz以下的線應用)。當為開關模式應用選用較大的層疊陶瓷電容時，制造商的軟件通常會在低頻、當自發(fā)熱或紋波電壓本身超限時，發(fā)出警報，且還可能因使用II類陶瓷而未施加直流電壓偏置而得到另一個警告。
II類陶瓷電容的介電結構，可以設想為域的集合，這些域內部帶有隨所加AC電壓的變化而相應變化的內部偶極子。但是，如果沒有用于補償的DC偏置，當經歷反向電壓時，各個域將翻轉，從而增加了內部發(fā)熱。因此，對于低頻應用，因可能需要更低的介電常數(即，對于給定的尺寸和電壓/電容值組合具有更低電容值)、更大的尺寸或多個電容元件的層疊(如層疊開關模式中的陶瓷電容)，所以諸如NP0/C0G等I類電介質一般是更佳選擇。
對用在DC鏈路應用中、500uF~1mF/450V~1kV范圍的大薄膜電容(電動汽車的車用逆變器是典型應用)來說，紋波電流將使器件發(fā)熱，但其大的質量意味著需要考慮其熱時間常數。事實上，在某些情況，在波紋應用中，可能需要一個小時左右的時間電容才達到平衡溫度。聚丙烯由于其在大紋波電流條件下，極低的功耗和由此產生的低發(fā)熱，通常是首選電介質。這種電容通常具有針對特定車輛和/或逆變器應用的定制規(guī)范。
例如，所有的薄膜電容都帶固有的自愈機制，但是，可以通過采用金屬電極系統內的特殊結構強化這種自愈機制，這樣總電容表面區(qū)域可分成平行的多個微元件，以防范短路故障。隨著時間的推移，長時間的高溫和施加電壓會降低電容值，但如果已知應用的忙/閑時間，則可以精確計算實際電容值與標稱值的誤差并在初始設計就予以考慮。
結語
總之，紋波一般是你要盡量規(guī)避的電路狀態(tài)。然而，在某些應用中，它也可以是一種有效的設計功能。
相關閱讀：
電路設計：詳解電容式MEMS麥克風讀出電路
超級電容為電動車供電，要面臨哪些挑戰(zhàn)？
經驗分享：電容器降壓更優(yōu)于電阻降壓為什么？
