漏電流的概念

 

能夠讓超級(jí)電容器在特定電壓下保持“已充電”狀態(tài)下所需的電流量稱為“漏電流”（LeakageCurrent）。充電電流隨著時(shí)間的推移而減小，并且隨著時(shí)間的推移變得穩(wěn)定，最后其穩(wěn)態(tài)電流就是“漏電流”。

 

圖1中顯示了KEMET公司“FC系列”產(chǎn)品在室溫下的漏電流特性和測(cè)量電路。當(dāng)超級(jí)電容器充電時(shí)，存在穩(wěn)定的寄生電流(Parasitic Current)。超級(jí)電容器通過(guò)離子“吸收”和“釋放”造成充電，并且當(dāng)離子試圖到達(dá)活性炭的細(xì)孔內(nèi)部時(shí)，充電開(kāi)始時(shí)的寄生電流很高。該初始電流稱為“吸收電流”。該充電電流隨著時(shí)間的推移而減小，并且隨著時(shí)間的推移變得穩(wěn)定。在開(kāi)始施加電壓30分鐘后的主電流分量是吸收電流。當(dāng)吸收電流減小時(shí)，漏電流成為主要成分。

 

圖1：室溫下測(cè)量電路的漏電流特性

 

由于超級(jí)電容器擁有較高等效串聯(lián)電阻（ESR），因此連接到電源時(shí)，其高內(nèi)阻會(huì)使高電流流動(dòng)時(shí)電壓降增加。這意味著它在高需求期間無(wú)法輸出足夠的能量，所以普遍用于低壓應(yīng)用。換言之，超級(jí)電容器只在細(xì)電流的環(huán)境下來(lái)作充電，所以“漏電流”是線路設(shè)計(jì)中不容輕視一個(gè)因素。

 

漏電流的計(jì)算

 

除了部份生產(chǎn)商直接提供參數(shù)值外，“漏電流值”可通過(guò)向超級(jí)電容器施加電壓直至特定時(shí)間后測(cè)量電阻器兩端的電壓，再根據(jù)以下簡(jiǎn)單方程計(jì)算便能得出。

 

 

以KEMET公司的“FG系列”產(chǎn)品為例，規(guī)格書(shū)上提供了建議的串聯(lián)電阻及電源以協(xié)助工程師的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

 

 

（注：電容器施加電壓前需將兩個(gè)端子短路將其放電，所需時(shí)間應(yīng)參考規(guī)格書(shū)上的建議或更長(zhǎng)時(shí)間）

 

自放電特性

 

當(dāng)充電電源與超級(jí)電容器斷開(kāi)后，由于其高內(nèi)阻而開(kāi)始失去電荷，這被稱為自放電（Self-Discharge）特性。在無(wú)負(fù)載條件的一段時(shí)間后，充電電容器中的電壓降，每?jī)芍芸赡茉斐?-60％的電壓損失。實(shí)驗(yàn)表明自放電率與各種參數(shù)相關(guān)——如溫度、充電持續(xù)時(shí)間和放電時(shí)間。圖2顯示了KEMET公司的FC系列超級(jí)電容器的自放電特性。

 

圖2：KEMET公司FC系列超級(jí)電容器的自放電特性

 

自放電電流的計(jì)算

 

通過(guò)將充電電壓直接連接于電容器的兩極（即電源和超級(jí)電容器之間沒(méi)有電阻器）作長(zhǎng)時(shí)間充電，例如24小時(shí)，然后斷電，測(cè)量引腳到引腳間電壓，得出時(shí)間與終端電壓的關(guān)系(該試驗(yàn)應(yīng)在環(huán)境溫度為25℃或更低，相對(duì)濕度為70％RH或更低的環(huán)境中進(jìn)行)，自放電電流可根據(jù)此特性曲線利用如下方程計(jì)算出。

 

自放電電流

 

 

當(dāng)中,     C 是電容值 Capacitance (F)

             V0是某時(shí)段起始終端電壓(V)

             V1 是某時(shí)段最后終端電壓(V)

             Vdrop 是因電容內(nèi)阻DCR的電壓降(V)

             T 是某設(shè)定時(shí)段 (sec)

 

例如計(jì)算FC0H105ZFTBR44-SS的自放電電流：

 

 

圖3：FC0H105ZFTBR44-SS自放電特性

 

超級(jí)電容器選型參數(shù)

 

在選料方面，工程師通過(guò)了解以下超級(jí)電容器的電氣特性及其參數(shù)，可以讓選料更有效率。

 

電容值及額定電壓

 

由于超級(jí)電容器具有高電容，因此普遍應(yīng)用于備用或峰值功率的能量供應(yīng)設(shè)備，但與電池不同，能量的供應(yīng)是依賴電容器的放電，因此放電時(shí)間越久，電壓值也會(huì)隨之下降。由于超級(jí)電容器包含復(fù)雜的等效電路，工程師可根據(jù)以下的公式作簡(jiǎn)單的計(jì)算，以了解自己需要多大電容值。

 

                     

當(dāng)中    V80% = 最大電壓的80%;

           V40%= 最大電壓的40%;

           t1= 達(dá)到V80%的時(shí)間;

           t2= 達(dá)到V40%的時(shí)間;

           Id = 放電電流  （穩(wěn)定不變狀態(tài)）

 

想了解一般市場(chǎng)上超級(jí)電容產(chǎn)品“電容值”及“額定電壓”的可選范圍，可在Digi-Key 網(wǎng)站中查詢，相關(guān)數(shù)值會(huì)在產(chǎn)品的特性選項(xiàng)中顯示，如下圖4所示。

 

圖4：超級(jí)電容器的電容及額定電壓篩選列表

 

ESR （等效串聯(lián)電阻）

 

電容器ESR 是另一個(gè)影響放電特性的重要參數(shù)之一。超級(jí)電容器的電壓會(huì)根據(jù)放電電流而下降。由于內(nèi)阻（ESR）的存在，電壓也成比例地下降。這些電壓降會(huì)影響輸出，特別是當(dāng)電容器用于高放電電流和降低電壓時(shí)。因此，考慮到電壓降，有必要計(jì)算所需的特性。可通過(guò)以下公式計(jì)算。

           

 

其中：阻值(不變)=R

          放電時(shí)間=t

          放電電壓=Vc

          電容器電壓降=Vt

          電容值 = C

 

圖5：電阻值不變時(shí)放電時(shí)間與電容器電壓降關(guān)系圖

 

想知道可以選擇的超級(jí)電容器的ESR范圍，Digi-Key 網(wǎng)站里中的特性選項(xiàng)也有列示，如下圖6所示。

 

圖6：超級(jí)電容器的ESR （等效串聯(lián)電阻）篩選列表

 

特殊應(yīng)用的選料

 

對(duì)于只需少量電荷存儲(chǔ)而對(duì)空間敏感的應(yīng)用，建議使用低容值及貼片型產(chǎn)品。例如以下Panasonic公司的EC-RG0V105V的19mm貼片超級(jí)電容器，提供3.3V微電路低壓的備用電量，適用于微處理器緊急而短暫的微電量供電應(yīng)用。

 

圖7：Panasonic 公司的EC-RG0V105V

 

或例如需要較低ESR 而應(yīng)用于高電壓的場(chǎng)景，如Cornell Dubilier Electronics (CDE) 公司的EDLRG105H3R6C，這種預(yù)設(shè)通孔端接硬幣型封裝元件，能提供高電容值，可作為集成電路電壓備份，也可用于從電池提供初始電源，它們可永遠(yuǎn)不需要更換。

 

圖8：Cornell Dubilier Electronics (CDE) 公司的EDLRG105H3R6C

 

本文小結(jié)

 

超級(jí)電容器廣泛用于備份應(yīng)用，使得在斷開(kāi)系統(tǒng)電源時(shí)有足夠供電時(shí)間讓電子設(shè)備電路作出緊急操作。但人們很容易將自放電電流與漏電流的概念相混淆。漏電流是電容器“連接”充電源時(shí)使電容器保持“已充電”狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)電流，而自放電是電容器“斷電”后在負(fù)載下的漏電，使電容器失去電能。了解兩者差異及其重要性，工程師便能在電路設(shè)計(jì)上作出正確的應(yīng)對(duì)選擇。