聚合物混合電容器：從源頭挖掘專(zhuān)業(yè)知識

　　Christian?Kasper（儒卓力?電解和聚合物電容器技術(shù)支持）

　　摘?要：聚合物混合電容器產(chǎn)品就像水滴一樣，彼此看來(lái)相似，至少在查看產(chǎn)品規格參數時(shí)是這樣的。因此，為了找到最佳的組件，建議用戶(hù)借鑒制造商和分銷(xiāo)商的專(zhuān)業(yè)知識，因為組件之間肯定存在差異。

　　關(guān)鍵詞：聚合物；電容器；阿倫尼烏斯公式；鋁電解

　　聚合物混合電容器的特點(diǎn)包括極端條件下的穩定性，使用壽命長(cháng)，低等效串聯(lián)電阻(ESR)，高達165 ℃溫度規格選項以及AEC-Q200認證。由于這些特性，它們現在用于包括汽車(chē)在內的眾多應用中，例如用于油泵或水泵的電控單元(ECU)、冷卻風(fēng)扇和電動(dòng)助力轉向(EPS)系統。盡管如此，在選擇合適的電容器時(shí)必須小心：制造商的產(chǎn)品規格參數看起來(lái)大致相同，難以發(fā)現任何微妙的差異。但它們之間確實(shí)存在差異，而這些差異只能通過(guò)測試顯示出來(lái)。

　　一般而言，聚合物混合電容器的生產(chǎn)工藝已獲得專(zhuān)利。除了生產(chǎn)差異之外，制造商還選擇使用不同的原材料，例如在數量和基質(zhì)方面不同的聚合物組合物。因此，對于汽車(chē)應用，電容器的ESR行為特性可能在10 kHz或20 kHz范圍內發(fā)生變化，盡管根據相應的產(chǎn)品規格參數，這完全沒(méi)有差別。而且，在負溫度范圍內，不同制造商的組件之間也存在著(zhù)差異。因此，利用制造商或“中立”分銷(xiāo)商的技術(shù)訣竅是值得的。

　　1 阿倫尼烏斯公式

　　舉例而言，一個(gè)關(guān)鍵因素是混合電容器的預期壽命。為了確定這個(gè)因素，開(kāi)發(fā)人員喜歡使用著(zhù)名的阿倫尼烏斯公式。為此，他們需要制造商規定使用壽命L _b 、最高溫度 T _max ，施加紋波電流時(shí)的溫升 ? T ₀ (最大允許值6K，可能隨著(zhù)產(chǎn)品系列和制造商而變化)，以及使用期間電容器的表面溫度T _c 。因此，預期壽命計算公式如下：然而，這項公式并不適用于聚合物混合電容器技術(shù)。這是因為它只是粗略地描述了定量溫度依賴(lài)性，僅僅假設了最大值情況，并沒(méi)有充分考慮到紋波電流對電容器的影響。

　　然而，由紋波電流引起的自發(fā)熱對于電容器的使用壽命具有顯著(zhù)影響。此外，在實(shí)際應用中，紋波電流很少會(huì )在整個(gè)使用壽命期間的任何溫度下保持恒定。因此，盡力實(shí)現精確工作并使用制造商或專(zhuān)家在使用壽命計算方面的專(zhuān)業(yè)知識，是提供有效設計的關(guān)鍵所在。

　　在網(wǎng)上或產(chǎn)品規格參數中無(wú)法獲得更多的精確數據和某些特定數值，而僅僅可以由實(shí)際制造商提供。根據這些技術(shù)訣竅、可用公式和內部測量數據，制造商計算了使用壽命。此外，制造商分析電容器可能的最大負載，并將此信息傳遞給用戶(hù)以便于他們了解產(chǎn)品。這樣為客戶(hù)提供了何種電容器型號最適合相應應用的列表，何種數量是理想的。例如對于并聯(lián)電路 ，在給定條件下電容器將持續工作多長(cháng)時(shí)間。畢竟，這也是制造商保證的。

　　2 使用壽命表格和使用簡(jiǎn)況

　　在所謂的使用壽命表格中，制造商列出了測試結果中的變化數值。這可以用于確定如何通過(guò)封裝溫度和100 kHz下紋波電流參數來(lái)最大化相應電路的使用壽命。例如，如果基于虛擬使用壽命表(圖1)，假設溫度為125 ℃(2 A電流下)，則使用壽命為5 000 h。在145℃和6 A時(shí)，電容器的使用壽命為850 h。額定區域是指由測量結果確定的范圍，而擴展區域則指基于測量結果的推論。

　　制造商的使用壽命表格顯示，實(shí)際使用壽命可能比數據表中規定的數值更高，這使得人們對聚合物混合電容器技術(shù)充滿(mǎn)信心。

　　使用簡(jiǎn)況(圖2)描述了電容器在實(shí)際使用中暴露的應力和應變。這些應力包括改變的環(huán)境和工作溫度，負載持續時(shí)間以及在特定頻率下測量的紋波電流。 這種使用簡(jiǎn)況的測量花費了寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間，不過(guò)，如果可以更有效地設計電路，并且制造商確認并聯(lián)電路中使用3個(gè)而不是4個(gè)電容器則是值得的。這顯然為客戶(hù)提供了相應應用中電容器可靠性的精確信息。

　　3 組件的過(guò)載測試

　　制造商進(jìn)行過(guò)載測試并將相應數據納入其計算結果中。由于這項技術(shù)出現不到10年，因此仍然相對較新，這些測試數據是制造商關(guān)于電容器質(zhì)量和進(jìn)一步發(fā)展的重要信息來(lái)源。

　　例如，對于10 mm×10 mm設計25 V電容器，其指定數值為2 A紋波電流，100 kHz，20 mΩ ESR，以及125 ℃環(huán)境溫度下使用壽命為4 000 h。這款組件暴露于相當高的紋波電流。這項測試在兩個(gè)125 ℃恒定環(huán)境溫度的地點(diǎn)進(jìn)行，每個(gè)地點(diǎn)使用200個(gè)組件。使用6 A電流，即三重過(guò)載電流進(jìn)行測試時(shí)，電容器的使用壽命超過(guò)19 000 h，并且工作時(shí)間更長(cháng)。電容漂移穩定在-18%左右。而根據產(chǎn)品規格參數，壽命終止定義為漂移-30%。ESR保持不變(從18 mΩ開(kāi)始，產(chǎn)品規格參數數值為20 mΩ，在22 mΩ左右穩定)。

　　儒卓力專(zhuān)家得出了類(lèi)似的結論：即使電容器被冷凍到-55 ℃，ESR也沒(méi)有改變。為此，儒卓力產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師與實(shí)驗室工程師合作開(kāi)發(fā)了一款便攜式演示工具，可在幾秒鐘內冷凍低ESR SMD（表面貼裝器件）電容器和聚合物混合電容器，同時(shí)不斷測量ESR數值。在此過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)觀(guān)察到聚合物混合電容器的ESR如何保持絕對穩定，而電解電容器的ESR則增加超過(guò)5倍。

　　在每個(gè)電容器的最高過(guò)載電流14 A下(對應于電容器中大約150 ℃核心溫度)，在4 300 h后，4個(gè)批次產(chǎn)品中僅有1個(gè)批次在測試中失效。然而，其失效原因并不是電容器的技術(shù)本身，而是熱量導致橡膠塞變得膨脹多孔。為了消除這個(gè)弱點(diǎn)，制造商已經(jīng)在尋求其他的密封方法和新設計。

　　這些測試表明聚合物混合電容器技術(shù)的可能性遠遠沒(méi)有用盡。所有制造商仍在努力進(jìn)一步優(yōu)化聚合物混合電容器產(chǎn)品，從而最大限度地提高性能。目標是在更長(cháng)的使用壽命內實(shí)現更高的容量、電壓和溫度，以及更優(yōu)良的SMD帽尺寸，以期在更高的負載下實(shí)現更進(jìn)一步的小型化。

　　使用聚合物混合電容器代替其他類(lèi)型電容器通常是明智的。例如，如果可以使用一個(gè)混合型款電容器來(lái)替代電路中的2個(gè)甚至3個(gè)鋁電解電容器，這相當于在尺寸、安裝高度和PCB（印制板）空間方面獲得了很大的節省。此外，由于其特殊性能，與電解電容器相比，在ESR增加、使用壽命期間的漂移、頻率和溫度以及電容數值變化方面，混合電容器確保具有更高的穩定性。

　　4 替代電路中的電容器產(chǎn)品

　　在特定應用中，可以使用混合電容器替代軸向電容器(圖3)。實(shí)際的選擇是在傳統的軸向鋁電解電容器和混合電容器之間，兩者都采用引線(xiàn)設計。兩種電容器的紋波電流相似，只是混合電容器的總電容較低。這個(gè)因素出現在大多數聚合物混合電容器解決方案中，但通常并不影響它們在電路中的工作狀況。由于這些電容器的使用狀況是由ESR和紋波電流決定的，即使是大型軸向電容器或SolderStar電容器也具有優(yōu)勢，但也證明鋁電解電容器存在典型缺點(diǎn)。除此之外，混合電容器需要的安裝空間更少，具有明顯降低的ESR，并且在整個(gè)使用壽命期間提供高穩定性。除了節省電路中的空間和重量外，混合電容器還確?？梢怨澥〕杀?。

　　同樣希望從中受益的客戶(hù)應該利用制造商的專(zhuān)有技術(shù)，特別是儒卓力專(zhuān)家的技術(shù)訣竅，這些專(zhuān)家能以中立的角度去評估技術(shù)?，F場(chǎng)應用工程師團隊通過(guò)提供獨立于制造商的產(chǎn)品和技術(shù)建議，為選擇產(chǎn)品的客戶(hù)開(kāi)發(fā)人員提供技術(shù)支持。儒卓力扮演著(zhù)與制造商聘用的各種專(zhuān)家直接聯(lián)系的中立者角色，以期保證實(shí)現理想的電路設計。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第30頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。