深入理解電容，波紋和自發(fā)熱

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(shuō)的是，如果電容旁有其它發(fā)熱器件，可能會(huì)增加其溫度。

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(cè)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(guò)最高工作電壓。對(duì)許多電容器技術(shù)來(lái)說(shuō)，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(cè)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(yáng)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(wèn)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(cè)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(yáng)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(yáng)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(lái)說(shuō)，鈮工作時(shí)的電場(chǎng)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(guò)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(kāi)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(méi)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)⒎D(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(kāi)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(zhǎng)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)論

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。