對(duì)于能量收集，電容選擇需要仔細(xì)考慮超出簡單電容值的特性。在這些特性中，漏電流仍然是主要問題。然而，今天，設(shè)計(jì)人員可以找到從低泄漏電解電容到高性能超級(jí)電容器的選擇，包括AVX，Kemet，Maxwell Technologies，Murata，NessCap，Seiko Instruments，Taiyo Yuden和United Chemi-Con等。《 br》在許多設(shè)計(jì)情況下，電容器經(jīng)常出現(xiàn)在事后的想法中，并添加到電路中以清理信號(hào)和電源。在信號(hào)采集中，電容器在濾波帶外源和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的采樣保持級(jí)中起著更重要的作用。然而，在能量收集應(yīng)用中，電容器提供了一個(gè)關(guān)鍵部件，用于從低能量環(huán)境源累積電荷并快速有效地將存儲(chǔ)的電荷放電到負(fù)載中。在這些應(yīng)用中，電容器特性和元件選擇成為設(shè)計(jì)中的重要因素。

在電路設(shè)計(jì)中，電容器被認(rèn)為是用于濾波，去耦以及這些器件的任何其他常見用途的恒定電容元件。出于這些目的，理想電容器的特性與實(shí)際電容器的特性之間的差異通常不會(huì)極大地影響它們充分發(fā)揮其作用的能力。然而，對(duì)于能量收集應(yīng)用而言，偏離理想電容會(huì)顯著影響整個(gè)設(shè)計(jì)的效率。

在常見效應(yīng)（圖1）中，等效串聯(lián)電阻（ESR）和漏電流占主導(dǎo)地位。可能降低效率的非理想特性。高ESR會(huì)導(dǎo)致電容器耗散功率，尤其是在承受高交流電流時(shí)。因此，使用低ESR電容器可以在能量收集子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)整體更高的效率。泄漏電流在使用極低能量環(huán)境源的設(shè)計(jì)中產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響 - 并且在能量收集設(shè)計(jì)中應(yīng)用更熟悉類型的電容器的能力上升是一個(gè)顯著的限制。

《 br》圖1：在能量收集應(yīng)用中，等效串聯(lián)電阻（ESR）和并聯(lián)電阻（RL）會(huì)導(dǎo)致功率損耗，從而降低整體效率。 （由Analog Devices提供）

對(duì)于任何電容器，泄漏電流的大小取決于各種因素以及隨時(shí)間，電壓和溫度的變化（圖2）。從充滿電的那一刻起，電容器最初表現(xiàn)出相對(duì)大的電流，直到它最終達(dá)到較低的恒定值。由于達(dá)到這個(gè)恒定水平所需的時(shí)間，工業(yè)實(shí)踐通常依賴于僅在幾分鐘后測(cè)量的泄漏電流。由于難以量化電容器的非理想行為，一些制造商會(huì)將漏電流，ESR和ESL合并為一個(gè)稱為耗散因數(shù)的值，該值被定義為每個(gè)周期消耗的能量與每個(gè)周期存儲(chǔ)的能量之比 - 實(shí)際上，衡量一個(gè)電容器的低效率。

圖2：電容器中的漏電流取決于多種因素，包括時(shí)間（A），電壓（B）和溫度（℃）。 （由Vishay提供）

泄漏電流也隨著工作電壓的增加而增加（圖2B中的UB）;當(dāng)施加的電壓超過額定電壓（圖2B中的UR）并且通過浪涌電壓US并最終通過電容器陽極的預(yù)成型電壓（圖2B中的UF）時(shí)，該電壓顯著上升。在高于浪涌電壓的水平下，電容器中可能發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果，電容器通常不在高于額定電壓的水平下操作。最后，由于溫度對(duì)電容器中物理和化學(xué)反應(yīng)的影響，泄漏電流會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而增加。漏電流是所有電容器類型的特征，但是傳統(tǒng)上某些類型的泄漏電流比其他類型更大。例如，電解電容器仍然是設(shè)計(jì)的主力，但它們的泄漏特性一直是用于功率預(yù)算有限的設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)。電解電容器具有高電容值和處理高電壓和電流的能力，可用作傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中的基本去耦或?yàn)V波元件，也可用于太陽能逆變器的功率調(diào)節(jié)階段。

在過去，電解電容器表現(xiàn)出顯著的泄漏電流，這在很大程度上阻礙了它們用于從弱能源獲取能量。然而，今天，材料科學(xué)和制造方面的進(jìn)步使制造商能夠提供具有顯著更低泄漏電流的鉭-MnO2電容器線。例如，AVX TRJ系列或Kemet T491系列中的電容器具有低幾納安的漏電流。雖然更先進(jìn)的鉭電解電容器可滿足能量收集設(shè)計(jì)的效率要求，但其他電容器技術(shù)如薄膜電容器陶瓷電容器結(jié)合了小封裝尺寸和性能效率（圖3）。隨著ESR的降低，這些器件通常具有比同類電解更長的壽命額定值和更低的漏電流。例如，AVX 1206YD226MAT2A陶瓷電容器的泄漏電流低于10 nA（3.5 V），ESR約為800 mOhm（100 Hz）。陶瓷電容器還具有非常嚴(yán)格的公差;例如，Murata GRM陶瓷電容器系列包括GRM0335C1ER10WA01D等部件，其公差為±0.05 pF。

圖3：阻抗Z和等效串聯(lián)電阻（ESR）電容器的頻率和電容器類型會(huì)有很大差異。 （由Murata提供）

對(duì)于許多能量采集應(yīng)用而言，電雙層電容器（EDLC）或超級(jí)電容器已成為首選解決方案，提供高電容，高效率和小封裝尺寸的組合電容器技術(shù)很少能夠匹配。超級(jí)電容器系列，如Maxwell Technologies K2，United Chemi-Con DLCAP和NessCap UltraCap，ESR低于1 mOhm，電容值從650 F開始，采用60 mm x 72 mm和更大的封裝。同時(shí)，尋求更小設(shè)計(jì)尺寸的設(shè)計(jì)人員可以找到能夠在非常小的封裝中提供顯著電容值的超級(jí)電容器。例如，Seiko Instruments CPH3225A和Taiyo Yuden PAS系列采用3.2 mm x 2.5 mm封裝，具有11 mF和14 mF元件。雖然超級(jí)電容器具有出色的能量密度，但它們的特性曲線可能要復(fù)雜得多。超級(jí)電容器組合了幾個(gè)電容器，每個(gè)電容器都可以為特定器件提供相對(duì)顯著的總泄漏電流（圖4）。因此，設(shè)計(jì)人員可以發(fā)現(xiàn)他們需要接受由漏電流引起的一定程度的能量損失，以獲得這些組件可用的極高密度儲(chǔ)能容量。

圖4：超級(jí)電容器由多個(gè)電容器（A）構(gòu)成，每個(gè)電容器都有助于整體漏電流（B）。 （總結(jié)由Murata提供）

總之，與傳統(tǒng)應(yīng)用不同，從低能量環(huán)境源獲取能量的設(shè)計(jì)需要在運(yùn)行期間本身消耗很少功率的組件。雖然設(shè)計(jì)師過去可能因?yàn)槠湎鄬?duì)較高的漏電流而不合格電解電容，但今天的制造商提供的電解電容具有與許多能量收集應(yīng)用相匹配的特性。雖然薄膜電容器和陶瓷電容器等替代技術(shù)具有改進(jìn)的特性，緊湊的尺寸和高電容，但超級(jí)電容器以更高的泄漏和ESR為代價(jià)提供高能量密度。