電容直流漏電/絕緣電阻比較

　　在用電池作為電源的時(shí)候，電容直流漏電流 （DCL） 應(yīng)被視為損耗，因?yàn)殡娙輹绊戨姵氐氖褂脿顩r和壽命。除了電池，大容量電容也用作便攜式設(shè)備中的補(bǔ)充電源，以應(yīng)對電路負(fù)載的變動。

　　許多便攜式設(shè)備應(yīng)用要求低DCL，以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、高效率的電池壽命。為應(yīng)對負(fù)載變化，與電池并聯(lián)一個(gè)大容量輸出電容可以保持儲電能力。在某些應(yīng)用中，設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間是時(shí)斷時(shí)續(xù)的短周期，在大多數(shù)時(shí)間里電池處于閑置狀態(tài)。因此，該電容需要極低的DCL來滿足便攜式設(shè)備的應(yīng)用需求，盡量延長電池的使用壽命。

　　直流漏電數(shù)值很小，所有電容都有這個(gè)問題。鉭電容的漏電流為數(shù)微安，而MLCC的漏電流為數(shù)微微安。直流漏電流的測量方法是采用等效的電阻-電容串聯(lián)電路，加上直流電壓，在室溫下測量電流。電容應(yīng)串聯(lián)一個(gè)1000Ω的電阻，以限制充電電流。

　　圖7 鉭電容的 DCL 曲線

　　描述DCL的術(shù)語和測量單位隨電容技術(shù)不同而不同。DCL是用于鉭電容的測量單位，而絕緣電阻 （IR） 則是用于MLCC的測量單位。根據(jù)電介質(zhì)類型，MLCC有一個(gè)IR限值。對采用X5R電介質(zhì)的大電容MLCC，IR限值為》10，000MΩ或 （R x C） ≥ 500ΩF，以低者為準(zhǔn)。MLCC均采用符合軍用產(chǎn)品規(guī)范55681的自動IR測試儀進(jìn)行過IR最小值篩選。

　　DCL可根據(jù)歐姆定律，用電容的IR和額定電壓計(jì)算得出。舉例來說，MLCC的IR限值為100MΩ-？F，相當(dāng)于鉭電容標(biāo)準(zhǔn)DCL限值則為0.01，即（電容x電壓）=0.01？A/？F V.

　　鉭電容均根據(jù)規(guī)定的DCL最小值進(jìn)行過篩選，或者不超過規(guī)定的最大值。鉭電容DCL的測試系根據(jù)軍用產(chǎn)品規(guī)范55365F.各種規(guī)格的鉭電容之間的DCL差異比較明顯，所以每種規(guī)格的鉭電容的限值都是單獨(dú)規(guī)定的。

　　在便攜應(yīng)用中，較長保壓時(shí)間（soak time）下的DCL是電容重要的指標(biāo)。對于有具體規(guī)格和鉭芯設(shè)計(jì)的鉭電容，某個(gè)生產(chǎn)批次中的DCL分布是可以量化的。如果應(yīng)用要求極低DCL，可以方便地從某個(gè)批次中自動篩選出某個(gè)額定電壓下具有特定DCL符合便攜式設(shè)備使用條件的鉭電容。

　　圖8是一種47uF-10V的鉭電容，雖然其最大DCL為4.7？A，根據(jù)特定的保壓時(shí)間篩選后，可為應(yīng)用提供超低DCL.以圖8的元件為例，該批量可以按照10秒鐘DCL 600nA的標(biāo)準(zhǔn)篩選，從而把總體 DCL 從 4.7uA 降至 600nA 限值。

　　圖8一種47uF-10V的鉭電容

　　DCL限值應(yīng)根據(jù)電池供電設(shè)備的工作時(shí)間和非工作時(shí)間來決定。舉例來說，如果某便攜式設(shè)備的工作時(shí)間很短，只有幾秒鐘，而隨后長期處于閑置狀態(tài)，那么大容量電容應(yīng)具備低DCL，以保證較長的電池使用壽命。另外，應(yīng)該對電路的總體靜態(tài)電流和工作電流進(jìn)行評估，以確定是否需要低DCL電容。

　　電池運(yùn)行時(shí)間和DCL

　　對可充電二次電池來說，DCL也很重要，這樣可以延長充電間隔時(shí)間，不過總體工作電流中可以允許輸出電容一定程度的漏電流存在。評估電路在各種使用狀況下的電流要求，了解電容的DCL，可以顯著延長電池使用壽命。

　　通過測量DCL或者IR可以了解電容電介質(zhì)的性能以及電介質(zhì)層的質(zhì)量。DCL電流在加電的情況下，會流經(jīng)或者跨越電容電介質(zhì)隔離層。對鉭電容這樣采用氧化膜制造的電容來說，DCL電流的主體構(gòu)成部分是多種電流混合而成，有流經(jīng)電介質(zhì)的表面漏電流、因電介質(zhì)材料極化而出現(xiàn)的電介質(zhì)吸收 （DA） 電流、流經(jīng)電介質(zhì)材料的原生漏電流。類似的，采用基于鈦酸鋇的陶瓷電介質(zhì)的MLCC的漏電流主要是流經(jīng)電介質(zhì)的漏電流，以及DA損耗和原生漏電流。

　　MLCC具有良好的低DCL特性，但在某些情況下，鉭電容能夠以更小的體積提供同樣低的DCL.表5 比較說明了根據(jù)DCL要求正確評估和選擇合適的電容的計(jì)算方法。如表5所示，鉭電容一般按照DCL最大值來確定規(guī)格。標(biāo)準(zhǔn)二氧化錳 （MnO2）構(gòu)造的鉭電容在生產(chǎn)廠家處是按照 （。01xCV） 進(jìn)行分級的。某些電容生產(chǎn)廠家還會隨DCL信息提供具體的保壓時(shí)間，并且根據(jù)比同級別的DCL最大值低得多的具體DCL限值進(jìn)行電容器的預(yù)篩選。

　　選擇適用的低DCL電容

　　舉例來說，某種短工作占空比的便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備需要線路每天啟動電機(jī)幾秒鐘，然后關(guān)閉。這樣的應(yīng)用可以使用低DCL的大容量電容。

　　具體使用：

　　● DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于電機(jī)驅(qū)動

　　● 輸入電壓：1.5V

　　● 固定輸出電壓：3.3V

　　● 輸出電流：200mA@2V

　　● 大容量輸出電容：47？F

　　● 保壓時(shí)間60秒時(shí)的DCL = 200nA

　　如果該47uF大容量電容是鉭電容，則應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷航殿~。降額應(yīng)根據(jù)鉭電容生產(chǎn)廠家的降額規(guī)范，具體示例見表4.本示例選擇了10V的額定電壓。

　　表4 鉭電容的降額規(guī)范

　　MLCC的額定電壓可以與工作電壓相同或者略高，因此6V的額定電壓已經(jīng)足夠。對 MLCC 而言，如果已知 IR （見表5）和工作電壓 （4V），可以計(jì)算出 DCL.適用于低DCL應(yīng)用的MLCC有X5R和X7R兩種電介質(zhì)。根據(jù)額定工作電壓，可以根據(jù)歐姆定律，用元件的IR值計(jì)算出 DCL.

　　表5 低DCL電容器選擇

　　為確定鉭電容的 DCL 限值，對多個(gè)生產(chǎn)批次中的外殼尺寸為 D 和 F 的 MAP 47？F-10V 電容進(jìn)行了批量測試，并對每個(gè)電容的在不同保壓時(shí)間（60 秒）下的 DCL 和對應(yīng)的保壓時(shí)間都進(jìn)行了記錄，如圖7 所示。然后采用統(tǒng)計(jì)分析方法，確定每個(gè)批次的較低 DCL.另外，還采用獨(dú)特的成型工藝強(qiáng)化了負(fù)極，以提升和降低電容的DCL性能。對任何與標(biāo)準(zhǔn)批次相悖的DCL曲線都予以關(guān)注，最后找出DCL的較低限值。

　　圖4所示的是各種封裝選擇和每種封裝選擇的體積要求。威世的572D系列鉭電容既能滿足DCL要求，又具有最高的體積效率，體積僅為8.39 mm3.如果對空間的要求不是那么嚴(yán)苛的話，該應(yīng)用也可使用MLCC.X5R電介質(zhì)MLCC的DCL低至187nA，與選擇鉭電容一樣，只要一個(gè)大容量電容就能滿足要求。MLCC X7R電介質(zhì)電容的電容溫度系數(shù)比X5R更加優(yōu)越，但要組成大容量電容需要兩個(gè)MLCC電容并聯(lián)。

　　在某些電路中，施壓后電容器保持電容的能力是一個(gè)重要的考量因素。對X5R電介質(zhì)MLCC，在選擇元件的額定電壓時(shí)，應(yīng)考慮其電容電壓系數(shù) （VCC）。如果包括紋波電壓在內(nèi)的直流應(yīng)用電壓接近MLCC的額定電壓，VCC效應(yīng)會導(dǎo)致該元件損耗部分電容。電容損耗可能會影響電路工作。另外，在選擇元件的時(shí)候，還需要考慮溫度對MLCC的IR的影響以及電容溫度系數(shù) （TCC）。生產(chǎn)廠家會提供特定電介質(zhì)隨溫度上升IR的劣化曲線。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對溫度效應(yīng)進(jìn)行評估。

　　改善鉭電容的DCL

　　鉭電容的電介質(zhì)層是一層五氧化二鉭薄膜，覆蓋在每顆鉭芯表面上。其采用陽極化工藝，由厚5nm~10nm的N型氧化鉭層和五氧化二鉭純半導(dǎo)體層復(fù)合而成。層厚與陽極化電壓成比例，同時(shí)決定了元件的額定電壓。對用于6V電池應(yīng)用的固鉭電容而言，最終的鉭電介質(zhì)層厚度為0.04微米或者40納米。

　　超大容量的MLCC則采用澆覆厚度為2.0微米的陶瓷電介質(zhì)薄層的方式來制造，這樣比鉭電容的要厚得多。MLCC采用層疊工藝，最終制造出多層電容。與鉭電容一樣，MLCC的電介質(zhì)層厚度決定了額定電壓，電介質(zhì)層數(shù)決定了容量。介電常數(shù)的差異導(dǎo)致了IR的巨大差別。

　　鉭電容的DCL會因?yàn)檎龢O表面的機(jī)械損壞或者氧化層表面的破裂而上升。如圖8所示，正極的外表面屬于易損部分，受到熱、機(jī)械和電氣作用的共同影響。表面DCL會受濕度的影響，并導(dǎo)致長時(shí)間工作的不穩(wěn)定。

　　改進(jìn)鉭芯的生產(chǎn)工藝，更好地控制氧化物層的厚度，可以幫助消除如圖 8所示的表面DCL問題。在鉭芯的外表面生成較厚的電介質(zhì)薄膜，防止其受到機(jī)械損壞，從而大幅改善DCL性能，降低DCL.除了改進(jìn)鉭電容的正極結(jié)構(gòu)，與聚合物負(fù)極結(jié)構(gòu)相比，鉭電容的二氧化錳負(fù)極結(jié)構(gòu)具有更為優(yōu)異的 DCL 性能，因該材料有更好的導(dǎo)電性。

　　圖9顯示了采用這種新技術(shù)制造而具有出色DCL性能的新型MAP 0603封裝。結(jié)合對鉭芯的改進(jìn)，最新 MAP 系列鉭封裝能夠改善裝配、封裝和端接工藝，避免機(jī)械損壞，提升電容的體積效率。

　　圖9

　　改進(jìn)醫(yī)用級鉭電容的DCL可靠性

　　因?yàn)槟承┽t(yī)療設(shè)備需要高可靠性，特別是對關(guān)鍵任務(wù)型應(yīng)用而言，電容生產(chǎn)廠家提供穩(wěn)健且保守的設(shè)計(jì)來滿足性能需求。通過精心的鉭芯和鉭粉設(shè)計(jì)，醫(yī)用鉭電容的性能會高出標(biāo)準(zhǔn)的商用鉭電容以及采用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的高可靠產(chǎn)品。

　　生產(chǎn)廠家會對每種設(shè)計(jì)適用的鉭粉進(jìn)行評估。隨電容器CV的增長，失效率隨之增長，因此應(yīng)針對具體的設(shè)計(jì)選擇合適粒徑的鉭粉。對醫(yī)用級設(shè)計(jì)而已，其目的是在可用的外殼尺寸范圍內(nèi)提供更為可靠的DCL性能。對商用級設(shè)計(jì)而言，其目的是通過以最小的可用外殼尺寸提供更高的-k CV鉭粉，從而盡量降低成本，最大化設(shè)計(jì)收益。因此商用鉭電容的DCL總體上會高于醫(yī)用鉭電容。

　　下面舉例說明目前的醫(yī)用TM8系列DCL改進(jìn)后與傳統(tǒng)高可靠194D系列的對比情況。

　　圖10對F外殼尺寸的194D系列設(shè)計(jì)與TM8系列設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。194D是一種用于眾多高可靠應(yīng)用中的老式設(shè)計(jì)。鉭芯設(shè)計(jì)采用高-k CV粉末，為23kCV.而 TM8 是一種較新的醫(yī)用級設(shè)計(jì)，使用10Kvc粉末，大幅度改善了DCL性能，而且采用的最新 MAP 裝配工藝，不會增加板級空間占用。

　　圖10

　　醫(yī)療設(shè)備中的高蓄能鉭電容

　　小型便攜式或者植入型心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器 （ICD） 適用于與可能因室性快速型心律失常而突發(fā)心臟病死亡的患者。便攜式除顫器與ICD具有類似功能，都是設(shè)計(jì)用于為心臟提供電療，恢復(fù)正常心律。電療線路采用高能充電電容，用于電擊心臟組織。

　　某些設(shè)計(jì)采用高能鋁電解電容，但需要后備電池以及一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)重整期的程序，以在設(shè)備的生命周期內(nèi)保持良好的充電效率。與鋁電解電容相比，高能濕鉭充電電容無需重整，且具有更高的能量密度。

　　電容的儲能能力取決于電介質(zhì)的相對電容率的值的大小和材料內(nèi)的最大可允許電壓。當(dāng)電場出現(xiàn)后，任何電容電介質(zhì)的導(dǎo)電行為都會導(dǎo)致電容損耗。而且損耗會隨電場變化而加大，比如交流電。電介質(zhì)的分子存在出現(xiàn)某種程度的極化，而在電場出現(xiàn)后，初始的時(shí)候這些分子的位移是相反的。部分能量消耗在分子的位移上，并在這個(gè)過程中消耗殆盡。當(dāng)電場變化或者消失，這種損耗就體現(xiàn)為熱量。

　　箔式鋁電解電容浸沒在導(dǎo)電電解質(zhì)中。電介質(zhì)由鋁箔表面的氧化膜構(gòu)成，其厚度一般為50到100納米，其決定了單位電極面積的容量。鉭電容也有氧化物膜層，但厚度要小得多，一般只有5到10納米。選擇儲能設(shè)備使用的電容類型時(shí)，需要考慮工作壽命、板級空間和成本要求。因?yàn)樾呐K除顫需要非常高的能量，所以只有鋁電解電容和濕鉭電容適用。

　　結(jié)論

　　本文討論了便攜式醫(yī)療設(shè)備的各種應(yīng)用及其使用的電路。針對這些便攜式應(yīng)用，有多種電容可供選擇。選擇適用于這類應(yīng)用的電容時(shí)，優(yōu)先考慮的電氣參數(shù)是電容的DCL和ESR.由于某些醫(yī)療應(yīng)用對可靠性和電池使用壽命要求極高，一些電容無法適用。