電容直流漏電/絕緣電阻比較

　　在用電池作為電源的時候，電容直流漏電流 （DCL） 應被視為損耗，因為電容會影響電池的使用狀況和壽命。除了電池，大容量電容也用作便攜式設備中的補充電源，以應對電路負載的變動。

　　許多便攜式設備應用要求低DCL，以實現長時間、高效率的電池壽命。為應對負載變化，與電池并聯一個大容量輸出電容可以保持儲電能力。在某些應用中，設備的運行時間是時斷時續的短周期，在大多數時間里電池處于閑置狀態。因此，該電容需要極低的DCL來滿足便攜式設備的應用需求，盡量延長電池的使用壽命。

　　直流漏電數值很小，所有電容都有這個問題。鉭電容的漏電流為數微安，而MLCC的漏電流為數微微安。直流漏電流的測量方法是采用等效的電阻-電容串聯電路，加上直流電壓，在室溫下測量電流。電容應串聯一個1000Ω的電阻，以限制充電電流。

　　圖7 鉭電容的 DCL 曲線

　　描述DCL的術語和測量單位隨電容技術不同而不同。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。根據電介質類型，MLCC有一個IR限值。對采用X5R電介質的大電容MLCC，IR限值為》10，000MΩ或 （R x C） ≥ 500ΩF，以低者為準。MLCC均采用符合軍用產品規范55681的自動IR測試儀進行過IR最小值篩選。

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

　　鉭電容均根據規定的DCL最小值進行過篩選，或者不超過規定的最大值。鉭電容DCL的測試系根據軍用產品規范55365F.各種規格的鉭電容之間的DCL差異比較明顯，所以每種規格的鉭電容的限值都是單獨規定的。

　　在便攜應用中，較長保壓時間（soak time）下的DCL是電容重要的指標。對于有具體規格和鉭芯設計的鉭電容，某個生產批次中的DCL分布是可以量化的。如果應用要求極低DCL，可以方便地從某個批次中自動篩選出某個額定電壓下具有特定DCL符合便攜式設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，根據特定的保壓時間篩選后，可為應用提供超低DCL.以圖8的元件為例，該批量可以按照10秒鐘DCL 600nA的標準篩選，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限值應根據電池供電設備的工作時間和非工作時間來決定。舉例來說，如果某便攜式設備的工作時間很短，只有幾秒鐘，而隨后長期處于閑置狀態，那么大容量電容應具備低DCL，以保證較長的電池使用壽命。另外，應該對電路的總體靜態電流和工作電流進行評估，以確定是否需要低DCL電容。

　　電池運行時間和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的性能以及電介質層的質量。DCL電流在加電的情況下，會流經或者跨越電容電介質隔離層。對鉭電容這樣采用氧化膜制造的電容來說，DCL電流的主體構成部分是多種電流混合而成，有流經電介質的表面漏電流、因電介質材料極化而出現的電介質吸收 （DA） 電流、流經電介質材料的原生漏電流。類似的，采用基于鈦酸鋇的陶瓷電介質的MLCC的漏電流主要是流經電介質的漏電流，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DCL要求正確評估和選擇合適的電容的計算方法。如表5所示，鉭電容一般按照DCL最大值來確定規格。標準二氧化錳 （MnO2）構造的鉭電容在生產廠家處是按照 （。01xCV） 進行分級的。某些電容生產廠家還會隨DCL信息提供具體的保壓時間，并且根據比同級別的DCL最大值低得多的具體DCL限值進行電容器的預篩選。

　　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療設備需要線路每天啟動電機幾秒鐘，然后關閉。這樣的應用可以使用低DCL的大容量電容。

　　具體使用：

　　● DC/DC轉換器，用于電機驅動

　　● 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

　　● 保壓時間60秒時的DCL = 200nA

　　如果該47uF大容量電容是鉭電容，則應進行適當的電壓降額。降額應根據鉭電容生產廠家的降額規范，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的額定電壓已經足夠。對 MLCC 而言，如果已知 IR （見表5）和工作電壓 （4V），可以計算出 DCL.適用于低DCL應用的MLCC有X5R和X7R兩種電介質。根據額定工作電壓，可以根據歐姆定律，用元件的IR值計算出 DCL.

　　表5 低DCL電容器選擇

　　為確定鉭電容的 DCL 限值，對多個生產批次中的外殼尺寸為 D 和 F 的 MAP 47？F-10V 電容進行了批量測試，并對每個電容的在不同保壓時間（60 秒）下的 DCL 和對應的保壓時間都進行了記錄，如圖7 所示。然后采用統計分析方法，確定每個批次的較低 DCL.另外，還采用獨特的成型工藝強化了負極，以提升和降低電容的DCL性能。對任何與標準批次相悖的DCL曲線都予以關注，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苛的話，該應用也可使用MLCC.X5R電介質MLCC的DCL低至187nA，與選擇鉭電容一樣，只要一個大容量電容就能滿足要求。MLCC X7R電介質電容的電容溫度系數比X5R更加優越，但要組成大容量電容需要兩個MLCC電容并聯。

　　在某些電路中，施壓后電容器保持電容的能力是一個重要的考量因素。對X5R電介質MLCC，在選擇元件的額定電壓時，應考慮其電容電壓系數 （VCC）。如果包括紋波電壓在內的直流應用電壓接近MLCC的額定電壓，VCC效應會導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，在選擇元件的時候，還需要考慮溫度對MLCC的IR的影響以及電容溫度系數 （TCC）。生產廠家會提供特定電介質隨溫度上升IR的劣化曲線。設計時應對溫度效應進行評估。

　　改善鉭電容的DCL

　　鉭電容的電介質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體層復合而成。層厚與陽極化電壓成比例，同時決定了元件的額定電壓。對用于6V電池應用的固鉭電容而言，最終的鉭電介質層厚度為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的電介質層厚度決定了額定電壓，電介質層數決定了容量。介電常數的差異導致了IR的巨大差別。

　　鉭電容的DCL會因為正極表面的機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、機械和電氣作用的共同影響。表面DCL會受濕度的影響，并導致長時間工作的不穩定。

　　改進鉭芯的生產工藝，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薄膜，防止其受到機械損壞，從而大幅改善DCL性能，降低DCL.除了改進鉭電容的正極結構，與聚合物負極結構相比，鉭電容的二氧化錳負極結構具有更為優異的 DCL 性能，因該材料有更好的導電性。

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

　　圖9

　　改進醫用級鉭電容的DCL可靠性

　　因為某些醫療設備需要高可靠性，特別是對關鍵任務型應用而言，電容生產廠家提供穩健且保守的設計來滿足性能需求。通過精心的鉭芯和鉭粉設計，醫用鉭電容的性能會高出標準的商用鉭電容以及采用傳統技術生產的高可靠產品。

　　生產廠家會對每種設計適用的鉭粉進行評估。隨電容器CV的增長，失效率隨之增長，因此應針對具體的設計選擇合適粒徑的鉭粉。對醫用級設計而已，其目的是在可用的外殼尺寸范圍內提供更為可靠的DCL性能。對商用級設計而言，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，最大化設計收益。因此商用鉭電容的DCL總體上會高于醫用鉭電容。

　　下面舉例說明目前的醫用TM8系列DCL改進后與傳統高可靠194D系列的對比情況。

　　圖10對F外殼尺寸的194D系列設計與TM8系列設計進行了比較。194D是一種用于眾多高可靠應用中的老式設計。鉭芯設計采用高-k CV粉末，為23kCV.而 TM8 是一種較新的醫用級設計，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

　　醫療設備中的高蓄能鉭電容

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

　　某些設計采用高能鋁電解電容，但需要后備電池以及一個用來實現重整期的程序，以在設備的生命周期內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的相對電容率的值的大小和材料內的最大可允許電壓。當電場出現后，任何電容電介質的導電行為都會導致電容損耗。而且損耗會隨電場變化而加大，比如交流電。電介質的分子存在出現某種程度的極化，而在電場出現后，初始的時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，并在這個過程中消耗殆盡。當電場變化或者消失，這種損耗就體現為熱量。

　　箔式鋁電解電容浸沒在導電電解質中。電介質由鋁箔表面的氧化膜構成，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。選擇儲能設備使用的電容類型時，需要考慮工作壽命、板級空間和成本要求。因為心臟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。

　　結論

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