別小看電容! 它可沒想像中簡單

作者 : Paul Rako,

不要以為簡單的被動元件不會給你的設計製造麻煩。像電容這樣的簡單元件也可能讓你傷透腦筋...

不要以為簡單的被動元件不會給你的設計製造麻煩。像電容這樣的簡單元件也可能會讓你傷透腦筋。類比大師Bob Pease (圖1)曾經在1982年寫過一篇有關「電容浸潤」(capacitor soakage)的文章,文中討論的原則在39年後的今日仍然適用。

 

圖1:Bob Pease早在1982年就曾警告過電容器浸潤的問題——這一顧慮至今仍適用。

 

Pease描述的浸潤問題就像電容的記憶效應。如果對高電壓電容進行放電,則移除短路時,電容上的電壓會回彈。這種浸潤問題又被稱為「」,它提示電容中的絕緣電介質吸收了電荷,且使電荷被「困」在電介質中。它無法放電,因此電壓再次出現。這並不奇怪,駐極體麥克風的工作原理就是使介電層有意地保留電荷。

浸潤可能會對高壓馬達應用中的電容造成電擊危險,還可能對訊號處理應用造成嚴重破壞,因為電荷儲存在電容器中,而電容是類比數位轉換器(ADC)的一部份。留存的電荷是產生誤差的直接因素,會造成錯誤的測量讀數。

我有一個朋友在一家ADSL公司工作,他們生產的線卡用於電話公司的局端(CO)。這種線卡就是電話公司用來和用戶家中的DSL數據機進行通訊的硬體。DSL在使用中會分配大量的頻格(Frequency Bin)。線卡會測量進入用戶家中的雙絞線阻抗,並因應輸入特定雙絞線的特殊阻抗曲線而調整。線卡原型的運作很正常。接著工程師將振鈴訊號加到線路上,就像電話響了一樣。DSL線卡和數據機會解除鎖定,然後重新協商連接,儘管兩者之間的線路沒有任何變化。電話振鈴訊號約為90V ac。這個大電壓會在線卡電路的某些電容器中產生介電吸收,線卡感應到阻抗變化,因而解除鎖定並重新協商。當我的朋友搞清楚這一點之後,很快地換上低浸潤電容器,問題就解決了。

儘管電容的原理圖符號很簡單,但它實際上存在許多不同結構(圖2)。為了得到最大電容值,電容製造商製造具有箔片和液體電介質的鋁電解電容。這種結構會產生兩個問題:電解電容會產生極化,同時可靠性很差。如果在正極端子上施加一個負電壓,則電容會爆炸,而且爆炸力強。這就是為什麼在對原型開機和進行故障排除時,必須戴上安全眼鏡,哪怕技術人員能夠保證所有電容焊接正確。

 

圖2:電容的種類很多,包括薄膜、陶瓷、鉭和電解電容。

(來源:Wikipedia)

 

鉭電容(Tantalum Capacitor)也有較高的電容值,並且也會極化。像電解電容一樣,鉭電容的可靠性比任何其他元件較差幾個數量級,電位計可能除外。如果要求高可靠性,則可使用濕塞式軍用規格鉭電容來替代,但這些電容比較貴。還要注意的是,發熱會使一切變得更糟,即使在室溫環境下,流入與流出這些大容量電容的電流也會使它們變得很熱。

如今許多工程師都將陶瓷電容視為理想的電容,但事實並非如此。現在其最大值為幾百µF,但是這些大容量電容的溫度係數很差,因此電容值會隨溫度波動而明顯變化。為了獲得溫度穩定性,必須使用NPO或COG電介質,而這些電介質的電容值要小得多,從幾pF到幾千pF。由於額定電壓更高的電容要求在其電板之間必須距離更大,所以尺寸、電壓和電容值都是直接相關的。如果需要高壓大容量的電容,就必須接受其實體尺寸更大這一事實。

陶瓷電容的另一個問題是會產生雜訊。我的另一位朋友設計了一個60W的LED燈泡。他知道如果要讓電源的可靠性與LED發射器的可靠性相當,必須取出所有電解電容。他找到了一些大容值陶瓷電容,但發現當調光電路調到音頻範圍的開關頻率時,這些電容會發出「尖叫聲」。陶瓷電容也有顫噪效應。如果敲一下訊號路徑上的陶瓷電容,就會在示波器上看到訊號急劇跳變。

我曾經為軍事承包商工作,他們總是備齊全系列的雲母電容。這些都是低損耗的電容,在介電吸收和溫度方面近乎完美,但為如此性能則必須付出尺寸大、容值小的折衷代價。另一種選擇是纏繞或堆疊薄膜電容。薄膜電介質幾乎沒有浸潤,且溫度係數適中。它們與相關聚丙烯電容的另一個好處是會自我修復,就像信得過的老式Orange Drop電容一樣。如果高壓擊穿了絕緣膜,則被擊穿的薄膜將會局部熔化並保護電容的其餘部份。其電容值幾乎完全相同,而且故障並不是短路或開路。

電容的關鍵參數是其內部阻抗,這既是等效串聯電感(ESL)又是等效串聯電阻(ESR)。完美的電容根本不存在,而且完美還可能帶來麻煩。許多開關電源架構都依賴輸出電容的ESR。ESR提供與流入電容的電流成比例的小訊號,控制晶片在反饋電路中使用此訊號。因此,採用可靠性更高的陶瓷電容代替電解電容,可能只會使電源在部份或全部負載下發生振盪。大多數電源晶片的規格表中都會清楚說明是否可以使用陶瓷輸出電容。確保在Spice模擬中為所使用電容進行ESL和ESR建模。

最極端的電容是超級電容,電容值達到幾個法拉,但通常電壓較低。你可以將超級電容視為電池,但它們有三個重要優勢。首先,其使用壽命不會縮短,即使充電和放電10,000次,電容值和性能也不會改變;超級電容的第二個優點是其內部阻抗較低(圖3),就是前面提到的ESL和ESR。這意味著其充電速度和放電速度都很快,例如可以驅動照相機閃光燈或電源電路的初始升壓充電;第三個優點是可以將超級電容一直放電至0V,釋放所有能量,而鋰離子電池只能從4.2V放電至3.3V (圖4)。

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