剖析关于电容和波纹以及自发热

在大多数应用中，纹波是工程师要最大限度抑制的一种电路状态。例如，在将交流电源转换成稳定直流输出的AC-DC转换器中，要竭力避免AC电源会以一种小幅、根据频率的变化信号叠加在DC输出之上的一种现象。然而，在其它情况下，波纹可以是种必要的设计功能，例如，时钟信号或数字信号就可利用电压电平的变化来切换器件的状态。在后一种情况，对波纹的考量可以说相当简单：不要让峰值电压超过电容的额定电压。然而，重要的是要牢记：峰值电压是最高纹波电压与电路中直流偏置电压之和。另外，对采用钽、铝和铌氧化物技术的电解电容来说，还有另一个需特别注意的地方：不要让纹波电压的最小值掉到零电位以下，因为这将导致电容工作在反向偏压条件。这一要求也适用于低频应用的II类陶瓷电容。

电容起着电荷库的作用，当电压增加时，它们被充电；电压降低时，它们向负载放电；它们实质上起着平滑信号的作用。电容将经历变化的电压，并根据施加的电源，还可能有变化的电流，以及连续和间歇性的脉动功率。无论输入形式为何，电容电场经历的变化将导致介电材料中偶极子的振荡，从而产生热量。这一被称为自发热的反应行为，是介电性能成为重要指标的主要原因之一，因为任何寄生电阻(ESR)或电感(ESL)都将增加能耗。

具有低损耗(即低ESR/DF和低ESL)的电介质将比高ESR和DF的电介质发热少；但这些参数也随频率变化，因为不同介电材料在不同频率范围可分别提供最佳性能(即，发热最少)。电容电介质很薄，就电容的总质量来说，它可能仅占一小部分，所以在评估波纹时，也需考虑其结构中所用的其它材料。例如，无极性电容(如陶瓷或薄膜电容)中的电容板是金属的；而极性电容(如钽或铝)，具有一个金属阳极(而在铌氧化物技术中，阳极是导电氧化物)和一个半导体阴极(如二氧化锰或导电聚合物)。在外部连接或引脚上，还有各种导电触点，包括金属(如：铜、镍、银钯和锡等)和导电环氧树脂，当AC信号或电流通过这些材料时，它们都会有一定程度的发热。要了解这些因素如何发挥作用，我们以使用固体钽电容在直流电源输出级平滑残留AC纹波电流为例。首先，由于这是一种极性技术，所以需要一个正电压偏置，以防止AC分量引起反向偏压情况的发生。该偏置电压通常是电源的额定输出电压。

图1：纹波电压叠加在偏置电压上。Voltage:电压Time:时间在我们考虑纹波前，我们必须注意由施加的直流偏压产生的发热。电容不是理想器件，一种寄生现象是跨接介电材料的并联电阻，该电阻将导致漏电流(DCL)的发生。这个小DC电流会导致发热，但是不像其它典型应用的纹波状态，该发热通常可忽略不计。一个100uF/10V贴片式钽电容，在室温下，其DCL不超过10uA(100uA@85℃)，所以其最大功耗为1mW。接下来，我们看由在给定频率(等于“R”，相同频率下电容的ESR)下电流的纹波值产生的功耗(等于I2R，其中“I”是电流均方根[rms])。我们以考察一个正弦纹波电流及其RMS等效值入手。如果在某一频率，我们使一个1A Irms的电流流经一个100mΩESR的电容，其产生的功耗是100mW。若连续供电，基于电容元件结构和封装材料的热容量、以及向周围散热所采取的所有措施(例如：对流、传导和辐射的组合)，该电流将使电容在内部发热，直到它与周围环境达到平衡。在这种情况，纹波发热是DC漏电流发热的100倍，因此后者(如前所述)可以忽略不计。然而，当评估一款新电容时，首选检查DC漏电流发热总是个选择。

在定义了决定由所加纹波导致的自发热的若干因素后，我们现在可以着手设置一个限制。虽然，“多大的纹波就太大了？”这个问题几乎没有固定答案，就像“绳子多长？”这个问题的答案一样；所以，标准的方法是只设定一个任意的温度变化，并以此为参考点，以反向推算对给定的电容来说，需要多大波纹才能引起这种变化。

通常，根据电容技术，建议：选择+10℃或+20℃作为最高温度增量容限。使用以下参考条件计算产生上述条件所需的纹波：1）25℃的环境温度；2）纹波是连续正弦波，且其频率对应于该电容的ESR测试频率；3）“自由空间”(即，没有散热器或强制冷却，并能自由在至少五个方位[另一个方位可能焊接到测试板]进行热辐射)内的电容；4）而且，在极性电容器情况下，要施加直流偏压以确保相关的纹波电压不会在电容上产生任何反向电压。然后，增加纹波电流并监测器件温度，直到它在环境温度以上其建议的温度容限点T处达到平衡。测得的Irms通常被引用为纹波电流的限制，但在最大电压标定或最大ESR限制意义上，它并非实际上的限制；其实，它是一个可用于作为应用评估基础的最佳实践条件。这种测量还允许对电容的功耗和热阻进行计算。功耗 “P”，由下式给出：对电容的功耗和热阻进行计算其中：“R”是电容在纹波频率的ESR，而热阻抗是每单位时间和温度产生的热量，单位为℃/W。由上所述，我们可以看出，对于给定的电容，功耗是频率的函数(由于受ESR的影响)。热阻抗(在此例，是借助经验测得)也可以基于电容的质量和其构成材料的热容量计算出来。然而，电容的环境条件(即系统的热管理)对电容在应用中的发热也有着同样影响。对体积和构成材料相同的电容来说，其热阻抗是相同的。因此，如果已知ESR，则可计算相同产品系列各款标称参数电容每单位时间的功耗，还可通过热阻乘以功耗来计算预期温升。再回到纹波电流测量，此数值将能立即指示，所选标称值是否可被用于给定应用。为能微调该数值以符合实际纹波条件，制造商给出了典型ESR相对于频率和ESR相对于温度的数据，以使ESR可以匹配应用条件。此信息通常在数据表中的标称值项中给出，还可通过支持用户改变频率和温度的软件得到。如果波纹是非正弦、非连续，或间歇性的(如，脉冲放电)，则设计者将需要采用适当的变换方法来计算rms等效值或使用峰值作为最坏情况。接着，在将可降低电容温度的全部强制冷或散热措施考虑在内的情况下，可对该系统进行热建模；另外要说的是，如果电容旁有其它发热器件，可能会增加其温度。如果缺这两种散热方法的任一种的足够数据，那么可采用常常是最准确的实证方法。只要使电路工作在最坏条件并借助热电偶或高温计测量器件温升高于环境温度就可实现。要确认的第一件事是平衡温度不要高于电容的最高工作温度，以及相关的峰值纹波电压(加上施加的任何偏置电压)不超过最高工作电压。对许多电容器技术来说，随着温度升高，ESR会降低，所以ESR对波纹发热的影响会降低。然而，不是在供应商的数据手册中已将其算计在内，就是并不要求(如果器件是在应用中实际测量的)。

图2：贴片钽电容的散热模型。Leadframe:引脚框架Solder:焊料tantalumanode:钽阳极printedcircuitboard:印刷电路板encapsulant:密封材料copper:铜如果器件在所有工作参数允许范围内工作，则不会有问题；对于关键应用，电容的实际可靠性总是可以根据它的实际最高温度，而非电路的环境温度重新计算。如果计算或测量到的温升高于建议的工作范围，那么器件虽仍可能能够工作(如果上述条件得到满足)，但仍应与供应商沟通，以确认在这种情况下，是否需考虑其他压力。

波纹应用的一些实际例子

在确定哪些因素影响发热后，我们来看看一些实际应用。

对低电压(如1.8V~5.5V电源轨)DC应用来说，高容值的片式多层陶瓷电容(MLCC)和固体钽电解电容是在10kHz到10MHz范围内的直流电源滤波电容的首选。这些技术能够以小尺寸在低电压等级提供数百微法(uF)的电容值。X5R片式多层陶瓷电容器的温度特性支持其实现特别高的电容值，其典型ESR在1~10 mΩ范围，但具有85℃的温度上限。虽然X5R器件的电容值针对低电压等级进行了最大化处理，这些电容的一个特征是：其电容值随施加电压(电压系数)减小，同时，其电容值还随工作温度的升高而减小(温度系数)。

然而，其ESR仍保持低值，所以波纹电流能力将不会受到影响。在更青睐低体电容损耗的应用中，可使用X7R温度特性。对于给定的尺寸和额定电压，X7R的标称电容值比X5R MLCC的低，但电压系数的影响会降低(且如果采用电压降额用法，还可进一步降低)，而当工作温度扩展到125℃范围时，温度系数也将更严苛。固体钽电解电容是极性器件，需要在纹波应用施加直流偏置，它能提供100μf~1mF范围的极高电容值；而其典型的ESR比MLCC的高一个数量级。因此，以氧化铌电容代替钽电容是一个值得考虑的方案。钽固体电解电容用钽金属作为基阳极材料(即，正极侧电容器板)，涂覆以五氧化钽电介质，并使用二氧化锰或聚合物膜作为负电极材料(即，负极侧电容板)。氧化铌电容带导电NbO阳极与五氧化二铌电介质。铌是钽的同族元素，但密度较低。它们采用类似方法加工，并具有类似电性能；然而，对于任何给定的额定电压，铌电介质更具鲁棒性。这意味着：就相同电压等级来说，铌工作时的电场应力比钽小，且可靠性更高，但也限制了其最高额定电压并略微增大了其ESR。但在波纹应用中，ESR的微小差异被铌材料的较高比热和较低热阻抗所补偿。这意味着，类似指标的钽和铌氧化物具有类似的纹波性能。在低纹波频率，X5R或X7R(II级电介质)MLCC的典型ESR比钽或铌增加的更快。因此，后者更受音频应用的青睐，但由于过度自发热，两者都不应用于低频应用(例如，100Hz以下的线应用)。当为开关模式应用选用较大的层叠陶瓷电容时，制造商的软件通常会在低频、当自发热或纹波电压本身超限时，发出警报，且还可能因使用II类陶瓷而未施加直流电压偏置而得到另一个警告。II类陶瓷电容的介电结构，可以设想为域的集合，这些域内部带有随所加AC电压的变化而相应变化的内部偶极子。但是，如果没有用于补偿的DC偏置，当经历反向电压时，各个域将翻转，从而增加了内部发热。因此，对于低频应用，因可能需要更低的介电常数(即，对于给定的尺寸和电压/电容值组合具有更低电容值)、更大的尺寸或多个电容元件的层叠(如层叠开关模式中的陶瓷电容)，所以诸如NP0/C0G等I类电介质一般是更佳选择。对用在DC链路应用中、500uF~1mF/450V~1kV范围的大薄膜电容(电动汽车的车用逆变器是典型应用)来说，纹波电流将使器件发热，但其大的质量意味着需要考虑其热时间常数。事实上，在某些情况，在波纹应用中，可能需要一个小时左右的时间电容才达到平衡温度。聚丙烯由于其在大纹波电流条件下，极低的功耗和由此产生的低发热，通常是首选电介质。这种电容通常具有针对特定车辆和/或逆变器应用的定制规范。例如，所有的薄膜电容都带固有的自愈机制，但是，可以通过采用金属电极系统内的特殊结构强化这种自愈机制，这样总电容表面区域可分成平行的多个微元件，以防范短路故障。随着时间的推移，长时间的高温和施加电压会降低电容值，但如果已知应用的忙/闲时间，则可以精确计算实际电容值与标称值的误差并在初始设计就予以考虑。结论总之，纹波一般是你要尽量规避的电路状态。然而，在某些应用中，它也可以是一种有效的设计功能。