理解电容器泄露真谛,有助延长低功耗智能设备续航
发布时间:2019-05-01
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理解电容器泄露真谛,有助延长低功耗智能设备续航
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低功耗物联网设备最关键的因素之一为续航,如何才能使智能设备的续航更加持久?通过分析智能设备电路中电容器的漏电流并选择替代元件以减少泄漏是目前较为可行但是很有技术性的工作。

物联网的普及推动了对智能设备的需求,例如集成众多传感器的监测装置,这些设备基本上属于自供电的,或者能够从像纽扣电池一样小的能量源长时间运行长达数年。超低功耗设计的技术已迅速变得非常复杂,从能量采集或电池管理系统到天线,在不需要时关闭任何子系统,尽可能的优化和利用每个涉及到电源部分的能量。

尽管工程师都能有意识的在电路和软件设计中尽可能做到效率最大化,但电容器的泄漏可能是掣肘电池续航持久的关键因素之一,电路中通常需要多个电容器来稳定来自能量收集系统或DC/DC转换器的功率,并且当充电表现为低电流充电时,其持续允许少量电荷耗散,也在一定程度上浪费了宝贵的能量。

虽然只有几微安,泄漏电流可以与你通过复杂使用省电模式从微控制器中辛辛苦苦节省下来的能量可能相当,这是多么悲惨的一件事,所以分析电路中电容器的漏电流是极其有意义的,并考虑选择替代元件来减少它。

储能时机

下图显示了由TI发布的PIR传感器的参考设计推荐储能电容网络,包括了五个电容。十年免维护操作是这类产品的共同目标,但你如果选择不当的电容器可能导致原本可以提供10年续航的纽扣电池提前衰退。

类似地,在能量收集系统中,需要大电容来驱动应用,并且根据平均功耗来计算。由能量采集装置收集的一小部分能量,例如太阳能电池或半导体制冷片等,存储在电容器中的能量会随着时间的推移而丢失。

技术选择

选择合适的技术非常有必要,额定电压和电容值都可以使泄漏的能量损失产生巨大差异。让我们先来看看陶瓷电容器(MLCC),它们广泛用于过滤电源噪声并提供保持能量以覆盖电源输送中断或确保关闭可以正常完成。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:更高的绝缘电阻意味着更低的泄漏。

MLCC包括由陶瓷电介质隔开的多个平行板,通常,在尽可能小的外壳尺寸中,期望最高可能的电容值。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,以在标准SMD外壳尺寸的尺寸限制范围内提升电容。另一方面,需要更厚的介电层来实现更高的额定电压:增加额定电压会增加绝缘电阻,从而减少泄漏,但如果外壳尺寸保持不变,电容也会降低。

我们可以看到介电厚度,施加电压和电子迁移率如何影响漏电流,电容器内的电场对带电粒子施加力为:

该力驱动器件内的电子流动,从而构成漏电流,对于给定的施加电压,很明显,随着电介质厚度d减小,力F和泄漏电流也将增加。

将电容与外壳尺寸联系起来的另一种方法是通过以下等式:

我们可以看到,如果我们想要在减小面积的同时保持相同的电容(例如0812到0402),那么我们可以减小电介质厚度或增加层数,最可行的方法是使用两者的组合。总的来说,我们可以看到减小电容器的尺寸可以在本质上增加了电容器的泄漏。

我们还必须意识到泄漏会随温度的变化,随着带电粒子的迁移率随温度的增加而增加,泄漏也是如此。实际上,在室温和45°C之间,MLCC泄漏增加了7倍以上。

计算漏电流

计算泄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包括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,流过的电流主要变为漏电流。

陶瓷电容器的数据表根据外壳尺寸和电容值,以欧姆法拉(Ω-F)表示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,只需查看器件的指定欧姆法拉数,然后除以电容值。然后可以通过应用欧姆定律计算工作电压下的漏电流:

考虑这个例子,如果使用10x47μF商用X7R MLCC进行电源轨滤波,工作电压为5V。数据表保证该器件的绝缘电阻规格为500MΩ.μF:

然后可以计算10个电容器阵列的直流泄漏:

钽电容器

钽电容器具有高容积效率,低噪声和长时间稳定性的特点,因此非常适合用于功耗受限的物联网设备,让这些低功耗产品可以在很长久的一段时间内免维护运行。

对于这类型的电容器,评估直流泄漏电流比陶瓷电容器更容易。数据表直接将直流泄漏电流表示为电容值和电压的一部分。对于KEMET T491标准MnO 2电容器系列,此表达式为:

因此,对于施加电压为5V的470μF电容,与前面的示例相比,直流泄漏是:

对于专为低泄漏而设计的KEMET T489系列,其表达式为:

因此,用470μF的T489器件取代T491电容可以很好实现漏电流的降低。

在钽电容器中,由于额定电压和电介质厚度之间的联系,泄漏电流在很大程度上取决于额定施加电压与额定电压的比率。下图中的曲线图显示了当施加的电压远低于额定电压时泄漏电流如何显着降低。

指定额定电压比施加电压高10倍的电容器可以将直流泄漏减少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,但会增加器件尺寸。

请注意,泄漏也取决于温度,因此在计算对系统能量预算的影响时也应考虑到这一点。

电容器直流泄漏是一个非常重要的设计考虑因素

在设计超低功耗系统或必须长时间运行而无需充电或更换电池的设备时,需要考虑电容器直流泄漏现象,上文中的例子包括PIR传感器或能量收集系统,它们需要大电容来维持系统的稳定能量供应。

计算泄漏电流对整个系统的能量预算的影响是一件非常值得硬件工程师做的事情,以确定任何必要的缓解措施。具有高电容值的陶瓷电容器往往具有更高的DC泄漏;而另一方面,具有较高额定电压的器件受益于较低的泄漏,但相对于封装尺寸也具有较小的电容,通过在专用的低泄漏系列中指定电容器可以减少泄漏,例如T498钽系列。

最后,希望此文能给你再电路设计上提供一些帮助。

 

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