为智能产品优化电容器漏电设计

2019-03-20 15:04:02 来源:EEFOCUS
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物联网(IoT)的普及推动了人们对传感器或执行器等智能设备的需求,这类设备采取自供电,或者可以采用纽扣电池大小的电源而长时间运行数年。从能量采集或电池管理系统直到天线,超低功耗设计技术已突飞猛进,其在不需要时可关闭任何子系统,并从每一焦耳中获取最大效益。
 
尽管有节能相关的电路和软件设计,但电容器漏电问题可能会导致产品在可用的毫安时下不足以持续工作足够长的时间。为了使来自能量采集系统或DC/DC转换器的电源稳定,通常需要使用多个电容器,而当其充电后出现“漏水桶”特性时,其会持续耗散少量电荷,进而浪费宝贵的电能。
 
虽然只有几个微安,但漏电流的大小可能与设计人员竭尽全力通过巧妙使用省电模式而实现微控制器的节能相当。因此,我们有必要分析电路中电容器的漏电流,并考虑选择替代元件来减少它。
 
省电机会
图1是德州仪器(TI)针对PIR传感器参考设计推荐的储能电容器网络,它包括五个电容。十年免维护工作是这类产品的一个共同目标,但若电容器选择不当,其漏电流特性可能导致纽扣电池不足以维持工作10年时间。
 
图1.电源滤波和稳定电容器可能引起电池能量损耗。
图字:电池连接器和储能电容器
 
同样,在能量采集系统中,需要使用大电容来驱动应用,并根据平均功耗来计算其值。太阳能电池或珀耳帖模块等采集装置所收集的能量中有一小部分,会存储在电容器中并随着时间的推移而放电损耗掉。
 
技术选择
选择合适的技术、额定电压和电容值,会对漏电造成的能量损耗产生巨大影响。让我们来看看陶瓷电容器(MLCC),它们广泛用于滤除电源噪声,并提供保持能量,而弥补供电中断或确保关机可以正常完成。由于漏电流很小,因此可以根据器件的绝缘电阻来量化效果:更高的绝缘电阻可实现更低的漏电。
 
MLCC包括多个平行极板,分别由陶瓷电介质隔开。通常,我们希望以尽可能小的外壳尺寸获得尽可能高的电容值。电容器制造商已开发出薄介电层、精细颗粒和精密层压技术,可以在标准SMD外壳尺寸的受限尺寸中提升电容。另一方面,实现更高的额定电压需要采用更厚的介电层:增加额定电压可增加绝缘电阻,从而减少漏电,但如果外壳尺寸保持不变,电容也会更低。
 
我们可以看到介电厚度、所加电压和电子迁移率是如何影响漏电流的。电容器内的电场会对带电粒子施加一个力:
 
F = E*q = U/d * q
 
这个力会驱动器件内的电子流动,从而引起漏电流。很明显,对于给定的施加电压,随着电介质厚度d减小,力F及其引起的漏电流将会增加。
 
另一种将电容与外壳尺寸建立联系的方法是通过以下等式:
 
C = 
 
可以看到,如果我们想要在减小面积(例如0812到0402)的同时保持相同的电容,那么我们可以减小电介质厚度或增加层数。最可能的方法是结合使用两者。总的来说,我们可以看到,电容器的小型化会不可避免地增加漏电。
 
我们还必须意识到漏电随温度的变化。随着带电粒子的迁移率随温度的增加而增加,漏电也会增加。实际上,在室温和45℃之间,MLCC漏电会增加7倍以上。
 
计算漏电流
计算漏电流可以评估其对电池运行时间的影响。注意,在施加电压之后,最初流入电容器的电流会立刻包含充电电流和介电吸收电流以及漏电流。随着充电电流和吸收电流的衰减,流过的电流会收敛到漏电流。
 
陶瓷电容器的数据手册会根据外壳尺寸和电容值,以欧姆法拉(Ω-F)为单位来声明所保证的最小绝缘电阻或绝缘电阻限值。要计算给定电容的绝缘电阻,只需查看器件所指定的欧法数,然后除以电容值即可。然后可以通过运用欧姆定律来计算工作电压下的漏电流:
 
 
来看下这个例子,如果在工作电压为5V的情况下,使用10×47μF的商用X7R MLCC进行电源轨滤波,数据手册保证该器件的绝缘电阻规格为500MΩ.μF:
 
IR =  = 10.6MΩ
 
然后可以计算10个电容器阵列的直流漏电流:
 
IR (10 x 47µF) =  x  = 1.06MΩ
 
DCL (10 x 47µF) =  = 4.7µA
 
钽电容器
钽电容器由于具有高容积效率、低噪声和长期稳定性等特点,因此成为功耗受限的物联网设备的理想选择——这类设备需要在更长的使用寿命内免维护运行。
 
对于这些类型的电容器,评估直流漏电流比陶瓷电容器更容易。数据手册直接将直流漏电流表示为电容值和电压乘积的一部分。对于基美电子T491标准MnO2电容器系列来说,该表达式为:
 
DCL = 0.01 x C x V
 
因此,与前面的例子相比,对于所加电压为5V的470μF电容,直流漏电流是:
 
DCL = 0.01 x C x V = 0.01 x 470 x 5 = 23.5µA
 
对于专为低漏电而设计的基美T489系列来说,其表达式是:
 
DCL = 0.0075 x C x V = 0.0075 x 470 x 5 = 17.6µA
 
因此,用470μF的T489电容器取代T491器件可以实现漏电流的有效降低。
 
在钽电容器中,由于额定电压和电介质厚度之间的联系,漏电流在很大程度上取决于所加电压与额定电压之比。从图2的曲线图中可以看到,当所加电压远低于额定电压时,漏电流可实现显著降低。指定采用额定电压比所加电压高10倍的电容器,可以将直流漏电流减少50倍。设计人员可以在需要极低漏电流的电路中利用这一点,但这会增加器件尺寸。
 
请注意,漏电也取决于温度,因此在计算对系统电能预算的影响时,也应考虑到这一点。
 
图2.直流漏电流随所加电压/额定电压比值的典型变化。
 
图字:直流漏电流乘数;额定电压百分比;所加电压对直流漏电流的典型影响
 
总结
在设计超低功耗系统或必须能在不对电池充电或更换的情况下长时间运行的设备时——例如无源红外(PIR)传感器或需要使用大电容来维持对系统稳定供电的能量采集系统——需要考虑电容器的直流漏电现象。
 
为了确定任何必要的缓解措施,我们有必要计算漏电流对系统整体能量预算的影响。具有大电容值的陶瓷电容器往往具有更高的直流漏电。另一方面,额定电压较高的器件可实现较低的漏电,但相对于封装尺寸来说电容值也较小。指定使用专用低漏电系列中的电容器,例如T498钽系列,可以减少漏电。
 
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