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2019年04月04日 | 超级电容技术参数详解
2019-04-04
超级电容器广泛用于备份应用，使得在断开系统电源时有足够供电时间让电子设备电路作出紧急操作。本文介绍了超级电容选型时两个最容易混淆的概念——自放电电流与漏电流，分析了两者的差异及其重要性，以便工程师在电路设计时能够做出正确选择。
现今市场上，超级电容器 (Super capacitor)被定名为“超级(Super)”，似乎给人感觉“比一般电容更强、更有成效”。当然，即使像电影中的超人也有“弱点”，所以工程师使用超级电容器之前，了解其弱项，有针对性地进行选型或电路设计，会令产品开发事半功倍。
能够让超级电容器在特定电压下保持“已充电”状态下所需的电流量称为“漏电流”（Leakage Current）。充电电流随着时间的推移而减小，并且随着时间的推移变得稳定，最后其稳态电流就是“漏电流”。
图1中显示了KEMET公司“FC系列”产品在室温下的漏电流特性和测量电路。当超级电容器充电时，存在稳定的寄生电流(Parasitic Current)。超级电容器通过离子“吸收”和“释放”造成充电，并且当离子试图到达活性炭的细孔内部时，充电开始时的寄生电流很高。该初始电流称为“吸收电流”。该充电电流随着时间的推移而减小，并且随着时间的推移变得稳定。在开始施加电压30分钟后的主电流分量是吸收电流。当吸收电流减小时，漏电流成为主要成分。
图1：室温下测量电路的漏电流特性
由于超级电容器拥有较高等效串联电阻（ESR），因此连接到电源时，其高内阻会使高电流流动时电压降增加。这意味着它在高需求期间无法输出足够的能量，所以普遍用于低压应用。换言之，超级电容器只在细电流的环境下来作充电，所以“漏电流”是线路设计中不容轻视一个因素。
除了部份生产商直接提供参数值外，“漏电流值”可通过向超级电容器施加电压直至特定时间后测量电阻器两端的电压，再根据以下简单方程计算便能得出。
以KEMET公司的“FG系列”产品为例，规格书上提供了建议的串联电阻及电源以协助工程师的实验测试。
（注：电容器施加电压前需将两个端子短路将其放电，所需时间应参考规格书上的建议或更长时间）
当充电电源与超级电容器断开后，由于其高内阻而开始失去电荷，这被称为自放电（Self-Discharge）特性。在无负载条件的一段时间后，充电电容器中的电压降，每两周可能造成5-60％的电压损失。实验表明自放电率与各种参数相关——如温度、充电持续时间和放电时间。图2显示了KEMET公司的FC系列超级电容器的自放电特性。
图2，KEMET公司FC系列超级电容器的自放电特性
通过将充电电压直接连接于电容器的两极（即电源和超级电容器之间没有电阻器）作长时间充电，例如24小时，然后断电，测量引脚到引脚间电压，得出时间与终端电压的关系(该试验应在环境温度为25℃或更低，相对湿度为70％RH或更低的环境中进行)，自放电电流可根据此特性曲线利用如下方程计算出。
自放电电流
当中, C 是电容值 Capacitance (F)
V0是某时段起始终端电压(V)
V1 是某时段最后终端电压(V)
Vdrop 是因电容内阻DCR的电压降(V)
T 是某设定时段 (sec)
例如计算FC0H105ZFTBR44-SS的自放电电流：
图3，FC0H105ZFTBR44-SS自放电特性
在选料方面，工程师通过了解以下超级电容器的电气特性及其参数，可以让选料更有效率。
电容值及额定电压
由于超级电容器具有高电容，因此普遍应用于备用或峰值功率的能量供应设备，但与电池不同，能量的供应是依赖电容器的放电，因此放电时间越久，电压值也会随之下降。由于超级电容器包含复杂的等效电路，工程师可根据以下的公式作简单的计算，以了解自己需要多大电容值。
当中 V80% = 最大电压的80%;
V40%= 最大电压的40%;
t1= 达到V80%的时间;
t2= 达到V40%的时间;
Id = 放电电流 （稳定不变状态）
想了解一般市场上超级电容产品“电容值”及“额定电压”的可选范围，可在Digi-Key 网站中查询，相关数值会在产品的特性选项中显示，如下图4所示。
图4，超级电容器的电容及額定电压筛选列表
ESR （等效串联电阻）
电容器ESR 是另一个影响放电特性的重要参数之一。超级电容器的电压会根据放电电流而下降。由于内阻（ESR）的存在，电压也成比例地下降。这些电压降会影响输出，特别是当电容器用于高放电电流和降低电压时。因此，考虑到电压降，有必要计算所需的特性。可通过以下公式计算。
其中：阻值(不变)=R
放电时间=t
放电电压=Vc
电容器电压降=Vt
电容值 = C
图5：电阻值不变时放电时间与电容器电压降关系图
想知道可以选择的超级电容器的ESR范围，Digi-Key 网站里中的特性选项也有列示，如下图6所示。
图6，超级电容器的ESR （等效串联电阻）筛选列表
对于只需少量电荷存储而对空间敏感的应用，建议使用低容值及贴片型产品。例如以下Panasonic公司的EC-RG0V105V的19mm贴片超级电容器，提供3.3V微电路低压的备用电量，适用于微处理器紧急而短暂的微电量供电应用。
图7，Panasonic 公司的EC-RG0V105V
或例如需要较低ESR 而应用于高电压的场景，如Cornell Dubilier Electronics (CDE) 公司的EDLRG105H3R6C，这种预设通孔端接硬币型封装元件，能提供高电容值，可作为集成电路电压备份，也可用于从电池提供初始电源，它们可永远不需要更换。
图8，Cornell Dubilier Electronics (CDE) 公司的EDLRG105H3R6C
超级电容器广泛用于备份应用，使得在断开系统电源时有足够供电时间让电子设备电路作出紧急操作。但人们很容易将自放电电流与漏电流的概念相混淆。漏电流是电容器“连接”充电源时使电容器保持“已充电”状态下的稳态电流，而自放电是电容器“断电”后在负载下的漏电，使电容器失去电能。了解两者差异及其重要性，工程师便能在电路设计上作出正确的应对选择。
史海拾趣
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