深入理解電容，波紋和自發(fā)熱

在評估紋波時(shí)，通常圍繞紋波電壓和紋波電流這兩個(gè)組成部分來(lái)進(jìn)行。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定直流輸出的AC-DC轉換器中，要竭力避免AC電源會(huì )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(shí)鐘信號或數字信號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，對波紋的考量可以說(shuō)相當簡(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(lèi)陶瓷電容。

電容起著(zhù)電荷庫的作用，當電壓增加時(shí)，它們被充電;電壓降低時(shí)，它們向負載放電;它們實(shí)質(zhì)上起著(zhù)平滑信號的作用。電容將經(jīng)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(zhì)將比高ESR和DF的電介質(zhì)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(zhì)很薄，就電容的總質(zhì)量來(lái)說(shuō)，它可能僅占一小部分，所以在評估波紋時(shí)，也需考慮其結構中所用的其它材料。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)極是導電氧化物)和一個(gè)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(diǎn)，包括金屬(如：銅、鎳、銀鈀和錫等)和導電環(huán)氧樹(shù)脂，當AC信號或電流通過(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，一種寄生現象是跨接介電材料的并聯(lián)電阻，該電阻將導致漏電流(DCL)的發(fā)生。這個(gè)小DC電流會(huì )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?？珊雎圆挥?。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。若連續供電，基于電容元件結構和封裝材料的熱容量、以及向周?chē)崴扇〉乃写胧?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?chē)h(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(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致的自發(fā)熱的若干因素后，我們現在可以著(zhù)手設置一個(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(cháng)?”這個(gè)問(wèn)題的答案一樣;所以，標準的方法是只設定一個(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(méi)有散熱器或強制冷卻，并能自由在至少五個(gè)方位[另一個(gè)方位可能焊接到測試板]進(jìn)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(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(diǎn)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(shí)際上的限制;其實(shí)，它是一個(gè)可用于作為應用評估基礎的最佳實(shí)踐條件。

這種測量還允許對電容的功耗和熱阻進(jìn)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(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(jīng)驗測得)也可以基于電容的質(zhì)量和其構成材料的熱容量計算出來(lái)。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(zhù)同樣影響。

對體積和構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，則可計算相同產(chǎn)品系列各款標稱(chēng)參數電容每單位時(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(chēng)值是否可被用于給定應用。為能微調該數值以符合實(shí)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(chēng)值項中給出，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，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(lái)計算rms等效值或使用峰值作為最壞情況。