聚合物混合電容器：從源頭挖掘?qū)I(yè)知識

　　Christian?Kasper（儒卓力?電解和聚合物電容器技術(shù)支持）

　　摘?要：聚合物混合電容器產(chǎn)品就像水滴一樣，彼此看來相似，至少在查看產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)時是這樣的。因此，為了找到最佳的組件，建議用戶借鑒制造商和分銷商的專業(yè)知識，因?yàn)榻M件之間肯定存在差異。

　　關(guān)鍵詞：聚合物；電容器；阿倫尼烏斯公式；鋁電解

　　聚合物混合電容器的特點(diǎn)包括極端條件下的穩(wěn)定性，使用壽命長，低等效串聯(lián)電阻(ESR)，高達(dá)165 ℃溫度規(guī)格選項(xiàng)以及AEC-Q200認(rèn)證。由于這些特性，它們現(xiàn)在用于包括汽車在內(nèi)的眾多應(yīng)用中，例如用于油泵或水泵的電控單元(ECU)、冷卻風(fēng)扇和電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)。盡管如此，在選擇合適的電容器時必須小心：制造商的產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)看起來大致相同，難以發(fā)現(xiàn)任何微妙的差異。但它們之間確實(shí)存在差異，而這些差異只能通過測試顯示出來。

　　一般而言，聚合物混合電容器的生產(chǎn)工藝已獲得專利。除了生產(chǎn)差異之外，制造商還選擇使用不同的原材料，例如在數(shù)量和基質(zhì)方面不同的聚合物組合物。因此，對于汽車應(yīng)用，電容器的ESR行為特性可能在10 kHz或20 kHz范圍內(nèi)發(fā)生變化，盡管根據(jù)相應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)，這完全沒有差別。而且，在負(fù)溫度范圍內(nèi)，不同制造商的組件之間也存在著差異。因此，利用制造商或“中立”分銷商的技術(shù)訣竅是值得的。

　　1 阿倫尼烏斯公式

　　舉例而言，一個關(guān)鍵因素是混合電容器的預(yù)期壽命。為了確定這個因素，開發(fā)人員喜歡使用著名的阿倫尼烏斯公式。為此，他們需要制造商規(guī)定使用壽命L _b 、最高溫度 T _max ，施加紋波電流時的溫升 ? T ₀ (最大允許值6K，可能隨著產(chǎn)品系列和制造商而變化)，以及使用期間電容器的表面溫度T _c 。因此，預(yù)期壽命計算公式如下：然而，這項(xiàng)公式并不適用于聚合物混合電容器技術(shù)。這是因?yàn)樗皇谴致缘孛枋隽硕繙囟纫蕾囆?，僅僅假設(shè)了最大值情況，并沒有充分考慮到紋波電流對電容器的影響。

　　然而，由紋波電流引起的自發(fā)熱對于電容器的使用壽命具有顯著影響。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，紋波電流很少會在整個使用壽命期間的任何溫度下保持恒定。因此，盡力實(shí)現(xiàn)精確工作并使用制造商或?qū)＜以谑褂脡勖嬎惴矫娴膶I(yè)知識，是提供有效設(shè)計的關(guān)鍵所在。

　　在網(wǎng)上或產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)中無法獲得更多的精確數(shù)據(jù)和某些特定數(shù)值，而僅僅可以由實(shí)際制造商提供。根據(jù)這些技術(shù)訣竅、可用公式和內(nèi)部測量數(shù)據(jù)，制造商計算了使用壽命。此外，制造商分析電容器可能的最大負(fù)載，并將此信息傳遞給用戶以便于他們了解產(chǎn)品。這樣為客戶提供了何種電容器型號最適合相應(yīng)應(yīng)用的列表，何種數(shù)量是理想的。例如對于并聯(lián)電路 ，在給定條件下電容器將持續(xù)工作多長時間。畢竟，這也是制造商保證的。

　　2 使用壽命表格和使用簡況

　　在所謂的使用壽命表格中，制造商列出了測試結(jié)果中的變化數(shù)值。這可以用于確定如何通過封裝溫度和100 kHz下紋波電流參數(shù)來最大化相應(yīng)電路的使用壽命。例如，如果基于虛擬使用壽命表(圖1)，假設(shè)溫度為125 ℃(2 A電流下)，則使用壽命為5 000 h。在145℃和6 A時，電容器的使用壽命為850 h。額定區(qū)域是指由測量結(jié)果確定的范圍，而擴(kuò)展區(qū)域則指基于測量結(jié)果的推論。

　　制造商的使用壽命表格顯示，實(shí)際使用壽命可能比數(shù)據(jù)表中規(guī)定的數(shù)值更高，這使得人們對聚合物混合電容器技術(shù)充滿信心。

　　使用簡況(圖2)描述了電容器在實(shí)際使用中暴露的應(yīng)力和應(yīng)變。這些應(yīng)力包括改變的環(huán)境和工作溫度，負(fù)載持續(xù)時間以及在特定頻率下測量的紋波電流。 這種使用簡況的測量花費(fèi)了寶貴的開發(fā)時間，不過，如果可以更有效地設(shè)計電路，并且制造商確認(rèn)并聯(lián)電路中使用3個而不是4個電容器則是值得的。這顯然為客戶提供了相應(yīng)應(yīng)用中電容器可靠性的精確信息。

　　3 組件的過載測試

　　制造商進(jìn)行過載測試并將相應(yīng)數(shù)據(jù)納入其計算結(jié)果中。由于這項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)不到10年，因此仍然相對較新，這些測試數(shù)據(jù)是制造商關(guān)于電容器質(zhì)量和進(jìn)一步發(fā)展的重要信息來源。

　　例如，對于10 mm×10 mm設(shè)計25 V電容器，其指定數(shù)值為2 A紋波電流，100 kHz，20 mΩ ESR，以及125 ℃環(huán)境溫度下使用壽命為4 000 h。這款組件暴露于相當(dāng)高的紋波電流。這項(xiàng)測試在兩個125 ℃恒定環(huán)境溫度的地點(diǎn)進(jìn)行，每個地點(diǎn)使用200個組件。使用6 A電流，即三重過載電流進(jìn)行測試時，電容器的使用壽命超過19 000 h，并且工作時間更長。電容漂移穩(wěn)定在-18%左右。而根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)，壽命終止定義為漂移-30%。ESR保持不變(從18 mΩ開始，產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)數(shù)值為20 mΩ，在22 mΩ左右穩(wěn)定)。

　　儒卓力專家得出了類似的結(jié)論：即使電容器被冷凍到-55 ℃，ESR也沒有改變。為此，儒卓力產(chǎn)品營銷工程師與實(shí)驗(yàn)室工程師合作開發(fā)了一款便攜式演示工具，可在幾秒鐘內(nèi)冷凍低ESR SMD（表面貼裝器件）電容器和聚合物混合電容器，同時不斷測量ESR數(shù)值。在此過程中，可以實(shí)時觀察到聚合物混合電容器的ESR如何保持絕對穩(wěn)定，而電解電容器的ESR則增加超過5倍。

　　在每個電容器的最高過載電流14 A下(對應(yīng)于電容器中大約150 ℃核心溫度)，在4 300 h后，4個批次產(chǎn)品中僅有1個批次在測試中失效。然而，其失效原因并不是電容器的技術(shù)本身，而是熱量導(dǎo)致橡膠塞變得膨脹多孔。為了消除這個弱點(diǎn)，制造商已經(jīng)在尋求其他的密封方法和新設(shè)計。

　　這些測試表明聚合物混合電容器技術(shù)的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有用盡。所有制造商仍在努力進(jìn)一步優(yōu)化聚合物混合電容器產(chǎn)品，從而最大限度地提高性能。目標(biāo)是在更長的使用壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的容量、電壓和溫度，以及更優(yōu)良的SMD帽尺寸，以期在更高的負(fù)載下實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的小型化。

　　使用聚合物混合電容器代替其他類型電容器通常是明智的。例如，如果可以使用一個混合型款電容器來替代電路中的2個甚至3個鋁電解電容器，這相當(dāng)于在尺寸、安裝高度和PCB（印制板）空間方面獲得了很大的節(jié)省。此外，由于其特殊性能，與電解電容器相比，在ESR增加、使用壽命期間的漂移、頻率和溫度以及電容數(shù)值變化方面，混合電容器確保具有更高的穩(wěn)定性。

　　4 替代電路中的電容器產(chǎn)品

　　在特定應(yīng)用中，可以使用混合電容器替代軸向電容器(圖3)。實(shí)際的選擇是在傳統(tǒng)的軸向鋁電解電容器和混合電容器之間，兩者都采用引線設(shè)計。兩種電容器的紋波電流相似，只是混合電容器的總電容較低。這個因素出現(xiàn)在大多數(shù)聚合物混合電容器解決方案中，但通常并不影響它們在電路中的工作狀況。由于這些電容器的使用狀況是由ESR和紋波電流決定的，即使是大型軸向電容器或SolderStar電容器也具有優(yōu)勢，但也證明鋁電解電容器存在典型缺點(diǎn)。除此之外，混合電容器需要的安裝空間更少，具有明顯降低的ESR，并且在整個使用壽命期間提供高穩(wěn)定性。除了節(jié)省電路中的空間和重量外，混合電容器還確保可以節(jié)省成本。

　　同樣希望從中受益的客戶應(yīng)該利用制造商的專有技術(shù)，特別是儒卓力專家的技術(shù)訣竅，這些專家能以中立的角度去評估技術(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)通過提供獨(dú)立于制造商的產(chǎn)品和技術(shù)建議，為選擇產(chǎn)品的客戶開發(fā)人員提供技術(shù)支持。儒卓力扮演著與制造商聘用的各種專家直接聯(lián)系的中立者角色，以期保證實(shí)現(xiàn)理想的電路設(shè)計。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。