別小看電容器! 它可沒想像中簡單

作者 : Paul Rako

不要以為簡單的被動元件不會給你的設計製造麻煩。像電容器這樣的簡單元件也可能讓你傷透腦筋...

不要以為簡單的被動元件不會給你的設計製造麻煩。像電容器這樣的簡單元件也可能會讓你傷透腦筋。類比大師Bob Pease (圖1)曾經在1982年寫過一篇有關「電容器浸潤」(capacitor soakage)的文章,文中討論的原則在39年後的今日仍然適用。

1Bob Pease早在1982年就警告電容器浸潤問題——這一顧慮至今仍適用

Pease描述的浸潤問題就像電容器的記憶效應。如果對高電壓電容器進行放電,則移除短路時,電容器上的電壓會回彈。這種浸潤問題又被稱為「介電吸收」,它提示電容器中的絕緣電介質吸收了電荷,且使電荷被「困」在電介質中。它無法放電,因此電壓再次出現。這並不奇怪,駐極體麥克風的工作原理就是使介電層有意地保留電荷。

浸潤可能會對高壓馬達應用中的電容器造成電擊危險,還可能對訊號處理應用造成嚴重破壞,因為電荷儲存在電容器中,而電容器是類比數位轉換器(ADC)的一部份。留存的電荷是產生誤差的直接因素,會造成錯誤的測量讀數。

我有一個朋友在一家ADSL公司工作,他們生產的線卡用於電話公司的局端(CO)。這種線卡就是電話公司用來和用戶家中的DSL數據機進行通訊的硬體。DSL在使用中會分配大量的頻格(Frequency Bin)。線卡會測量進入用戶家中的雙絞線阻抗,並因應輸入特定雙絞線的特殊阻抗曲線而調整。線卡原型的運作很正常。接著工程師將振鈴訊號加到線路上,就像電話響了一樣。DSL線卡和數據機會解除鎖定,然後重新協商連接,儘管兩者之間的線路沒有任何變化。電話振鈴訊號約為90V ac。這個大電壓會在線卡電路的某些電容器中產生介電吸收,線卡感應到阻抗變化,因而解除鎖定並重新協商。當我的朋友搞清楚這一點之後,很快地換上低浸潤電容器,問題就解決了。

儘管電容的原理圖符號很簡單,但它實際上存在許多不同結構(圖2)。為了得到最大電容值,電容器製造商製造具有箔片和液體電介質的鋁電解電容器。這種結構會產生兩個問題:電解電容器會產生極化,同時可靠性很差。如果在正極端子上施加一個負電壓,則電容器會爆炸,而且爆炸力強。這就是為什麼在對原型開機和進行故障排除時,必須戴上安全眼鏡,哪怕技術人員能夠保證所有電容器焊接正確。

圖2:電容器的種類很多,包括薄膜、陶瓷、鉭和電解電容器。(圖片來源:Wikipedia)

鉭電容器(Tantalum Capacitor)也有較高的電容值,並且也會極化。像電解電容器一樣,鉭電容器的可靠性比任何其他元件較差幾個數量級,電位計可能除外。如果要求高可靠性,則可使用濕塞式軍用規格鉭電容器來替代,但這些電容器比較貴。還要注意的是,發熱會使一切變得更糟,即使在室溫環境下,流入與流出這些大容量電容器的電流也會使它們變得很熱。

如今許多工程師都將陶瓷電容器視為理想的電容器,但事實並非如此。現在其最大值為幾百µF,但是這些大容量電容器的溫度係數很差,因此電容值會隨溫度波動而明顯變化。為了獲得溫度穩定性,必須使用NPO或COG電介質,而這些電介質的電容值要小得多,從幾pF到幾千pF。由於額定電壓更高的電容器要求在其電板之間必須距離更大,所以尺寸、電壓和電容值都是直接相關的。如果需要高壓大容量的電容器,就必須接受其實體尺寸更大這一事實。

陶瓷電容器的另一個問題是會產生噪音。我的另一位朋友設計了一個60W的LED燈泡。他知道如果要讓電源的可靠性與LED發射器的可靠性相當,必須取出所有電解電容器。他找到了一些大容值陶瓷電容,但發現當調光電路調到音頻範圍的開關頻率時,這些電容會發出「尖叫聲」。陶瓷電容器也有顫噪效應。如果敲一下訊號路徑上的陶瓷電容器,就會在示波器上看到訊號急劇跳變。

我曾經為軍事承包商工作,他們總是備齊全系列的雲母電容器。這些都是低損耗的電容器,在介電吸收和溫度方面近乎完美,但為如此性能則必須付出尺寸大、容值小的折衷代價。另一種選擇是纏繞或堆疊薄膜電容器。薄膜電介質幾乎沒有浸潤,且溫度係數適中。它們與相關聚丙烯電容器的另一個好處是會自我修復,就像信得過的老式Orange Drop電容器一樣。如果高壓擊穿了絕緣膜,則被擊穿的薄膜將會局部熔化並保護電容器的其餘部份。其電容值幾乎完全相同,而且故障並不是短路或開路。

電容器的關鍵參數是其內部阻抗,這既是等效串聯電感(ESL)又是等效串聯電阻(ESR)。完美的電容器根本不存在,而且完美還可能帶來麻煩。許多開關電源架構都依賴輸出電容器的ESR。ESR提供與流入電容器的電流成比例的小訊號,控制晶片在反饋電路中使用此訊號。因此,採用可靠性更高的陶瓷電容器代替電解電容器,可能只會使電源在部份或全部負載下發生振盪。大多數電源晶片的規格表中都會清楚說明是否可以使用陶瓷輸出電容器。確保在Spice模擬中為所使用電容器進行ESL和ESR建模。

最極端的電容器是超級電容器,電容值達到幾個法拉,但通常電壓較低。你可以將超級電容器視為電池,但它們有三個重要優勢。首先,其使用壽命不會縮短,即使充電和放電10,000次,電容值和性能也不會改變;超級電容器的第二個優點是其內部阻抗較低(圖3),就是前面提到的ESL和ESR。這意味著其充電速度和放電速度都很快,例如可以驅動照相機閃光燈或電源電路的初始升壓充電;第三個優點是可以將超級電容器一直放電至0V,釋放所有能量,而鋰離子電池只能從4.2V放電至3.3V (圖4)。

圖3:圖左上方的超級電容器無法提供與右側電池同樣多的能量,但是其內部阻抗較低,因此可以提供更大的瞬時功率。 (圖片來源:Wikipedia)

圖4:超級電容器可以一直放電到0V,其內部阻抗較低,可以快速充電和放電。 (圖片來源:Wikipedia)

維基百科(Wikipedia)清楚地介紹了電容器及其類型。有機會一定要向有經驗的資深工程師、應用工程師請教各種電容器及其差異。我曾經聽過一段關於PCB採購的話題,一家中國組裝廠說服工程師將其所有被動元件替換為中國廠商的元件。

這個決定非常魯莽,除非你花時間找到幾十個這些零件,並評估其性能隨時間和溫度的變化情況。當電容器發生故障或無法保持其電容值時,電路就會斷開,就好像某些IC燒毀一樣。請堅持從主流經銷商處購買電容器,因為他們的庫存都是來自知名製造商的高品質元件。

工程師讀者對於電容器的更多故事分享與討論:

@ JohnCSr

陶瓷SMD電容器也有巨大的電壓降額,甚至高達80%的損耗,可能看起來是10µF,實際上僅2µF。這個問題通常可以用工作電壓較高的較大電容來解決。另一個問題是電容值大、尺寸小的SMD電容器實體開裂,這可能與焊接過程中的熱應力有關。大多數時候的問題是開路失效,也可能是短路。現在已經有電容器可以提供更好的電壓降額和抗斷裂性能。

@ Paul.Rako (本文作者)

非常精彩的分享,JohnCSr。當我為這家軍事承包商工作時,並不想完全信任可靠性準則,但是測試實驗室人員向我保證,降額對於確保電容器壽命至關重要。他們還教我,密封的元件壽命更長。你對熱應力的觀察十分準確。我記得一個測試技術員曾笑著說只要用-55℃至+125℃的熱衝擊就可能破壞我設計的任何產品。我相信他說的。我們還發現到另一點,在溫度變化的情況下,軟灌封並沒有使元件破裂,但也沒散去太多熱量。工程是很難的,這一點毋庸置疑。

@ Hooey0

我們最近剛好遇到了10µF/16V陶瓷晶片電容器用來過濾5V電壓的故障。不但發生了短路,過程中還弄壞了其他一些元件。這個電容器以及CCA上的其他10個類似的電容器已經用了5年多,所以也沒什麼好抱怨的。隨機故障可能發生,但是只要嚴格遵守製造商的要求和規範,這一類故障只是偶發現象。對於鉭電容器,我通常使用內部帶保險絲的,如果電容器發生短路故障,保險絲就會燒斷而斷開電容器。我總會增加額外的電容器,所以即使有一個電容器壞了,也不會導致很大的濾波損耗。這些電容器會更貴一點,但如果可靠性高也就值得了。

@ Brian park

還有更糟糕的事呢,那就是電容器化學中儲存的能量!我有一個機器人,其音量指示器中有一個鉭製的「橘滴」(orange drop) 10µF 20V旁路電容器,就嵌在塑料機器人內。由於鉭是一種非常易燃的金屬,一旦著火,幾乎沒有任何辦法可以將其撲滅(‘D’類火災)。開機不到一秒鐘的時間,鉭電容就燒起來了,一英呎高的火焰持續了足足20秒!為了弄清楚火是怎樣燒起來的,於是在一個類似的泡沫物體上進行測試,想用液化氣來點燃這種火。但卻不行!在拿走點火器後的1秒鐘內,火就熄了。我掏出指示器面板,看到電容器的剩餘部份(2根導線從燒焦的板上伸出)。這顆電容器直徑1/4英吋、長1/4英吋,火就是它引起的。該電容器已經有20多年了,但在12V的偏壓下只用了大約1,000個小時,並且還是在「室內控制」的溫度下。是否可以用熱敏電阻(PTC)來防止電流尖峰從而避免引起這種燃燒?(但這個機器人在製造時還沒有PTC)。

我用點火器測試了這些橘滴電容,當它們達到亮黃色時,溫度突然升高至白色,並持續10~20秒。密封的150D軍用電容器陽極也會點燃,但這通常可以透過電解液沸騰、外殼破裂來防止,使溫度在達到燃點之前斷開連接。

@ salbayeng

鉭的自燃可稱為「場結晶」(field crystallization)。我曾經有一個頻譜分析儀中的鉭電容器燒了(當然是在開機時),導致整個屋子裡「煙霧瀰漫」。我費了好大力氣才找到燒毁的電容器並進行更換(這是深藏在5V電壓軌上的幾個電容器之一)。當我從分析儀中拉出一個黃銅盒子時,聽到它發出嘎嘎的響聲,我擰下一百多顆螺釘,才發現裡面有大約十二個鉭電容器(可能這種狀況已經有好幾年了!)

@ Paul.Rako (本文作者)

我不太理解為什麼將鉭電容稱做「橘滴」(Orange Drop),或許來自於Sprague經典的薄膜電容器品牌名稱。在矽谷,我們將鉭電容稱為‘Lemon Drop’。 的確許多測試設備都使用了鉭電容,而似乎用了15年左右都爆炸了。至少它們不會像鋁電解電容一樣洩漏,鋁電解液會腐蝕板上的走線。

我在文章中漏講了一件事,就是應該放保險絲、斷路器或熔斷體(細線),至少為任何電解電容或鉭電容提供一條窄PCB走線。@Hooey提到大容值的陶瓷電容怎樣出現短路故障,應該可以瞭解為對所有大容值電容器使用保險。

@ cmq0

文章中也未提及消費產品中經常使用未符合標準的鋁電解電容。我已經修過幾台顯示器了,都得換掉其中使用的一些垃圾電容。最近剛修好一台Cyber​​Power UPS,它因為一隻松鼠碰到高壓電線後就無法啟動了。Cyber​​Power使用的是品質差級差的垃圾電容,只用5年就出問題了。它一共有42個電容,其中一半以上具有較高的ESR,有些超過100Ω。在使用高品質的電容更換所有電解電容之後——這垃圾電容和高品質電容的價差可能不到5美元——這台UPS又可以用了。

@ Brian park

文中未提及的是「乾」式鉭電容器(例如常見的橘滴電容器)燒起來的危險。當它們使用時間長了就可能發生短路,因而燃燒起來!鉭極度易燃,屬於‘D類’火災(即金屬燃燒––最嚴重的火災!)。我點燃了其中一個(高1/4英吋,直徑3/16英吋),產生了3英呎高的火焰,燒了整整30秒!

(原文連結:Care and feeding of capacitors,Jenny Liao編譯)

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