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切換器件的狀態(tài)。
在后一種情況,對(duì)波紋的考量可以說相當(dāng)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(duì)采用鉭、鋁和鈮氧化物技術(shù)的電解電容來說,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類陶瓷電容。
電容起著電荷庫的作用,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。無論輸入形式為何,電容電場經(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)槿魏渭纳娮?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)量來說,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)金屬陽極(而在鈮氧化物技術(shù)中,陽極是導(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)氧樹脂,當(dāng)AC信號(hào)或電流通過這些材料時(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。
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(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、以及向周圍散熱所采取的所有措施(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,直到它與周圍環(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)問題幾乎沒有固定答案,就像“繩子多長?”這個(gè)問題的答案一樣;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)給定的電容來說,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測試頻率;
3)“自由空間”(即,沒有散熱器或強(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:
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。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說,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)稱參數(shù)電容每單位時(shí)間的功耗,還可通過熱阻乘以功耗來計(jì)算預(yù)期溫升。
再回到紋波電流測量,此數(shù)值將能立即指示,所選標(biāo)稱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)稱值項(xiàng)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(shè)計(jì)者將需要采用適當(dāng)?shù)淖儞Q方法來計(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;另外要說的是,如果電容旁有其它發(fā)熱器件,可能會(huì)增加其溫度。
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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)不超過最高工作電壓。對(duì)許多電容器技術(shù)來說,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)際測量的)。
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(shù)允許范圍內(nèi)工作,則不會(huì)有問題;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。
在確定哪些因素影響發(fā)熱后,我們來看看一些實(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(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。它們采用類似方法加工,并具有類似電性能;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)來說,鈮工作時(shí)的電場應(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,類似指標(biāo)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(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類陶瓷而未施加直流電壓偏置而得到另一個(gè)警告。
II類陶瓷電容的介電結(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)⒎D(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(如層疊開關(guān)模式中的陶瓷電容),所以諸如NP0/C0G等I類電介質(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)汽車的車用逆變器是典型應(yīng)用)來說,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)稱值的誤差并在初始設(shè)計(jì)就予以考慮。
結(jié)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(yīng)用中,它也可以是一種有效的設(shè)計(jì)功能。
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