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对比多种电容器,使用不当会引起哪些问题?

2021-03-26 Paul Rako 阅读:
薄膜电容、陶瓷电容、钽电容和电解电容器,这些电容器各有什么不同,在使用时应该注意什么?本文对几种不同的电容器进行了比较,并分享了多名美国工程师使用电容器的经验......

不要以为设计中的简单无源元件不会带来麻烦。像电容器这样的简单元件就可能会带来极大的问题。模拟大师Bob Pease(图1) 1982年曾写过一篇有关电容器介质静电荷(capacitor soakage)的文章,他讨论的原则在39年后仍然有效。R2Vednc

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图1:Bob Pease早在1982年就警告我们要注意电容器介质静电荷问题。他的担心如今仍然存在。R2Vednc

Pease描述的介质静电荷问题就像电容器的记忆效应。如果对高电压电容器进行放电,则移除短路时,电容器上的电压会回弹。介质静电荷的另一个名称是介电吸收,它提示电容器中的绝缘电介质吸收了电荷,并且电荷被“困”在电介质中。它无法放电,因此电压再次出现。这并不奇怪,驻极体麦克风的工作原理是使介电层有意保留电荷。浸润可能会对高压电动机应用中的电容器造成电击危险,还会对信号处理应用造成严重破坏,因为电荷存储在电容器中,而电容器是模数转换器的一部分。存留的电荷是产生误差的直接因素,会给出错误的测量读数。R2Vednc

我有一个朋友在一家ADSL公司工作,他们的线卡用于电话公司的局端。这些卡是的电话公司硬件,DSL调制解调器与这些卡进行通信。DSL在使用中会分配大量的频格(Frequency Bin)。线卡测量进入房屋的双绞线阻抗,然后适应进入房屋的特定双绞线的特定阻抗曲线。线卡原型工作很正常。然后工程师将振铃信号加到线路上,就像电话响了一样。DSL线卡和调制解调器会解除锁定,然后重新协商连接,尽管两者之间的线路没有任何变化。电话振铃信号约为交流90V。这个大电压在线卡电路的某些电容器中产生了介电吸收,线卡感应到阻抗变化,因而解除锁定并重新协商。当我的朋友认识到这一点,然后换上低浸润电容器,问题就消失了。R2Vednc

尽管电容的原理图符号很简单,但实际上电容器有许多不同的结构(图2)。为了得到最大电容值,电容器制造商制造具有箔片和液体电介质的铝电解电容器。这种结构会产生两个问题:电解电容器会产生极化,同时可靠性很差。如果在正极端子上施加一个负电压,则电容器会被爆炸,而且爆炸力很强。这就是为什么在对原型开机和进行故障排除时应戴上安全眼镜的原因,哪怕技工能够保证所有电容器焊接正确。R2Vednc
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图2:电容器的种类很多,包括薄膜、陶瓷、钽和电解电容器。 (图片来源:维基百科)R2Vednc

钽电容器也有较高的电容值,并且也会极化。像电解电容器一样,钽电容器的可靠性比任何其他组件都要差几个数量级,电位计可能除外。如果要求高可靠性,则可使用湿塞式军用规格钽电容器来替代,这些电容器比较贵。还要注意的是,发热会使一切变得更糟,即使在室温环境下,流入这些大容量电容器的电流也会使它们变得很热。R2Vednc

如今许多工程师都将陶瓷电容器视为理想的电容器,但事实并非如此。现在其最大值为几百µF,但是这些大容量电容器的温度系数很差,因此电容值会随温度波动而明显变化。为了获得温度稳定性,必须使用NPO或COG电介质,而这些电介质的电容值要小得多,从几pF到几千pF。由于额定电压更高的电容器需要其电板之间的距离更大,所以尺寸、电压和电容值是直接相关的。如果需要高压大容量电容器,则必须接受它的物理尺寸更大这一事实。R2Vednc

陶瓷电容器的另一个问题是会产生噪音。我的另一位朋友设计了一个60W的LED灯泡。他知道如果要让电源的可靠性与LED发射器的可靠性相当,必须取出所有电解电容器。他找到了一些大容值陶瓷电容,但发现当调光电路调到音频范围开关频率时,这些电容会“尖叫”。陶瓷电容器也有颤噪效应。如果敲一下信号路径上的陶瓷电容器,会看到示波器上的信号急剧跳变。R2Vednc

我曾为军事承包商工作,他们总是备有全套的云母电容器。这些都是低损耗的电容器,在介电吸收和温度方面近乎完美,但为此也付出了代价,即尺寸大、容值小。另一种选择是缠绕或堆叠薄膜电容器。薄膜电介质几乎没有浸润,且温度系数适中。它们与相关的聚丙烯电容器的另一个好处是会自我修复,就像信得过的老式Orange Drop电容器一样。如果高压击穿了绝缘膜,则被击穿的膜将局部熔化并保护电容器的其余部分。其电容值几乎完全相同,并且故障不是短路或开路。R2Vednc

电容器的关键参数是其内部阻抗,这既是等效串联电感(ESL)又是等效串联电阻(ESR)。完美的电容器根本不存在,而且完美还可能带来麻烦。许多开关电源架构都依赖输出电容器的ESR。ESR可提供与流入电容的电流成比例的小信号,控制芯片在反馈电路中使用此信号。因此,用可靠性更高的陶瓷电容器代替电解电容器可能只会使电源在部分或全部负载下发生振荡。大多数电源芯片的数据表中都会清楚说明是否可以使用陶瓷输出电容器。确保利用Spice仿真对所用电容器的ESL和ESR建模。R2Vednc

最极端的电容器是超级电容器,电容值达到几个法拉,但通常电压较低。你可以将超级电容器视为电池,它们具有三个重要优势。首先,它们的使用寿命不会减短,即使充电和放电10,000次,其电容值和性能都不会改变;超级电容器的第二个优点是它们的内部阻抗较低(图3),就是我们提到的ESL和ESR。这意味着其充电速度和放电速度都很快,例如可以驱动照相机闪光灯或电源电路的初始升压充电;第三个优点是可以将超级电容器一直放电至零伏,释放所有能量,而锂离子电池只能从4.2V放电至3.3V(图4)。R2Vednc

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图3:左上方的超级电容器无法提供与右侧的电池同样多的能量,但是其内部阻抗较低,因此可以提供更大的瞬时功率。(图片来源:维基百科)R2Vednc
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图4:超级电容器可以一直放电到零伏,其内部阻抗较低,可以快速充电和放电。(图片来源:维基百科)R2Vednc

维基百科很好地描述了电容器及其类型。一定要向有经验的老工程师及应用工程师了解电容器及电容器的不同。我看到过一个关于PCB车间的话题,一个中国组装厂说服工程师将其所有被动器件替换为中国厂商的器件。这个决定非常鲁莽,除非你花时间找出几十个这些零件,并评估其性能随时间和温度的变化情况。当电容器发生故障或不能保持其电容值时,电路就会断开,就好像某些IC烧毁一样。一定要从主流分销商那里购买电容器,因为他们的库存都是来自知名制造商的高质量产品。R2Vednc

关于电容器,其他工程师在自己的职业生涯中又发生了怎样的故事呢?R2Vednc

@ JohnCSr R2Vednc

陶瓷SMD电容器也有巨大的电压降额,降额系数高达80%,可能看起来是10µF,实际上是2µF。这个问题通常可以用工作电压较高的大电容来解决。另一个问题是电容值大、尺寸小的SMD电容器的物理开裂,这可能与焊接过程中的热应力有关。大多数时候它们会开路,也有可能短路。现在已经有电容器可以提供更好的电压降额和抗断裂性能。R2Vednc

@ Paul.Rako (本文作者)R2Vednc

“非常精彩的分享,JohnCSr。当我为一家军事承包商工作时,我不想相信可靠性准则,但是测试实验室的人向我保证,降额对于保证电容器的寿命至关重要。他们还教我,密封的元件寿命更长。你对热应力的观察十分准确。我记得一个测试技术员曾微笑着说他可以用-55°C至+ 125°C的热冲击破坏我设计的任何产品。我相信他说的。我们看到的另一件事是,在温度变化的情况下,软灌封并没有使元件破裂,但也没有散去太多热量。工程是很难的,这一点毋庸置疑。R2Vednc

@ Hooey0 R2Vednc

我们最近发生了10 µF / 16伏陶瓷芯片电容器用来过滤5伏电压的故障。短路了,在此过程中还弄坏了其他一些元件。这个电容器以及CCA上的其他10个类似的电容器已经用了5年多,所以我们没什么好抱怨的。随机故障有可能发生,但是只要制造商的要求和规范都严格遵守,这类故障只是偶然现象。对于钽电容器,我通常会使用内部带保险丝的,如果电容器发生短路故障,保险丝就会烧断而断开电容器。我总是会增加额外的电容器,所以即使有一个电容器坏了,也不会引起很大的滤波损失。这些电容器要贵一些,但如果可靠性高,那也值了。R2Vednc

@ Brian park R2Vednc

“还有更糟糕的事,即电容器化学成分中存储的能量!我有一个机器人,其音量指示器中有一个钽“orange drop”10µF 20V旁路电容器,嵌在塑料机器人内。事实证明,钽是一种非常易燃的金属,一旦着火,几乎没有任何办法可以将其扑灭(“ D”类火)。开机不到一秒钟的时间,钽电容就烧起来了,一英尺高的火焰持续了足足20秒!我很想弄清火是怎样烧起来的,于是在一个类似的泡沫物体上进行测试,想用液化气来点燃这种火。不行!在拿走点火器后的1秒钟内,火就熄了。我掏出指示器面板,看到电容器的剩余部分(2根导线从烧焦的板上伸出)。这颗电容器直径1/4英寸、长1/4英寸,火就是它引起的。该电容器已经有20多年了,但在12V的偏压下只用了大约1000个小时,并且还是在“室内控制”的温度下。PTC是否可以防止电流尖峰从而避免引起这种燃烧? (这个机器人在制造时还没有PTC)。R2Vednc

我用点火器测试了这些“orange drop”,当它们达到亮黄色时,温度突然升高至白色,持续10~20秒。密封的150D军用电容器的阳极也会点燃,但这通常可以通过电解液沸腾、外壳破裂来防止,使温度在达到燃点之前断开连接。R2Vednc

@ salbayeng R2Vednc

“钽的自燃有一个名字:场结晶(field crystallisation)。我曾有一个频谱分析仪烧了(当然是在开机的时候),整个屋子里“烟雾弥漫”。我费了好大力气才找到烧了的电容器并把它换了(它是5v电压轨上的几个电容器之一,藏得很深了)。当我从分析仪中拉出一个黄铜盒子时,听到它发出嘎嘎的响声,我拧下一百多颗螺钉,发现里面有大约十二个钽电容器(可能这样子已经有好几年了!)R2Vednc

@ Paul.Rako R2Vednc

“对于将钽电容叫做“Orange Drop”,我确实不太理解,那是经典的Sprague薄膜电容器的实际品牌名称,在硅谷我们将钽电容称为“Lemon Drop”。 的确许多测试设备都使用了钽电容,似乎这些钽电容用了15年左右的时间都爆炸了。至少它们不会像铝电解电容一样泄漏,铝电解液会腐蚀板上的走线。R2Vednc

我在文章中漏了一件事,就是应该放保险丝、断路器或熔断体(细线),为任何电解电容或钽电容提供一条窄PCB走线。@Hooey讲了大容值的陶瓷电容怎样出现了短路故障,所以可以对所有大容值电容器使用保险。R2Vednc

@ cmq0 R2Vednc

文章中也没提及消费类设备中经常使用的不符合标准的铝电解电容。我修好了一些显示器,替换其中的一些垃圾电容。我刚修好了一台Cyber​​Power UPS,一只松鼠碰到高压电源线后,UPS就不能启动了。Cyber​​Power使用的是质量垃圾透顶的电容,只用了5年就出问题了。一共有42个电容,其中一半以上具有较高的ESR,有些超过100欧姆。在使用高质量的电容更换所有电解电容之后——垃圾电容的价格和高质量电容的价格差可能低于5美元——UPS又可以用了。R2Vednc

@ Brian park R2Vednc

文章中未提及的是钽“干”电容器(例如常见的“Orange Drop”电容器)烧起来的危险。当它们使用时间长了,发生短路,就会燃起来!钽极度易燃,是“ D类”火(即燃烧金属,最严重的火灾)。我点燃了其中一个(高1/4英寸,直径3/16英寸),产生了3英尺高的火焰,烧了整整30秒!R2Vednc

工程师朋友,关于电容器,你们是否有什么故事和经验要与我们分享?请在评论区留言。R2Vednc

(原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站,参考链接:Care and feeding of capacitors,由Jenny Liao编译。)R2Vednc

  • 个人在修理自家的电子电器产品遇到故障率最高的就是电解电容器。都是为了降低成本而使用了低质甚至劣质的电解电容器,结果就是导致电子电器产品垃圾泛滥!
  • 印工点评:

    电容器的介质静电荷(soakage)在高压应用上的确是需要值得注意。

    我们在设计110~220V/380V高压的AC交流电源净化或EMC/EMI滤波器时,实际的使用场景通常都遇到负载突发性开路的情况,这样,即便是输入电压断开但滤波器内部由于存在的火线与零线之间的X电容及火零各自对地的Y电容,由于存在的峰值介质静电苛仍然可以提供高压危及生命体的安全,因此在L和N之间通常会存在390K~1M欧姆的回路泄放电阻,并起到一定的拉低线路上毛刺的峰值以降低Q值。

    这只泄放电阻在很多开关电源设计工程师中的概念里通常只是作为Q值吸收电阻,这样的理解是片面的。

    工程师在电路设计时会时常会遇到需要对电源供电进行高频旁路(Bypassing)和低频去耦(decoupling), 用于提升线路供电侧的瞬态,尤其对多路数多通道信号处理共用同一集中供电电源则更为需要,必要时还需要增加去耦电阻形成RC滤波网络以延缓电源上的过冲对类似MCU等数字芯片带来的latch up闫锁效应。

    XDSL的Line Card多为32/64 port, 属于密集型且高功率高温度应用,实际电路使用中的电容器需要兼顾高频旁路和低频去耦且耐高温的特性,所以采用了10~22uF MLCC的多层陶瓷电容成为首选。
本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Paul Rako
Paul Rako is an engineer that writes and a writer that engineers at Rako Studios.
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