電容指南

電容器的發熱特性和測量方法

03/28/2013

本技術專欄描述有關電容的基本事實。
本課描述電容器的發熱特性。

1.電容器發熱

隨著電子裝置的體積越來越小、重量越來越輕，元件的安裝密度也越來越高，其結果是散熱效能下降，導致裝置溫度容易上升。尤其是功率輸出電路元件所產生的熱量，對元件的溫升有很大的影響。然而，在電容中也流過大電流的應用中（開關電源平滑、高頻功率放大器輸出耦合等），由於電容的損耗分量所導致的功耗可能會增加，以至於無法忽略電容的發熱。因此，必須將電容的溫升抑制在不影響電容可靠性的範圍內。
理想的電容只有電容分量，但實際的電容還有電極電阻分量、介質損耗和電極電感分量，可用等效電路表示，如圖 1 所示。

當交流電流在此類電容中流動時，由於電容的電阻分量 (ESR) 會產生公式 1-1 所示的功耗，而且電容會發熱。

2.電容器的發熱特性

為了測量電容的發熱特性，電容溫度必須在對流和輻射造成的表面散熱以及經由夾具熱傳導造成的散熱最小化的情況下測量。此外，當測量具有非線性介電常數 vs 電壓的高介電常數型電容時，必須同時觀察施加在電容上的交流電流和交流電壓。此外，低電容溫度補償型電容器要求在頻率高於 100 MHz 時具有發熱特性，因此必須在反射少的條件下進行測量。

2-1.測量電容發熱特性的系統

圖 2 顯示測量高介電常數型電容器 (DC 至 1 MHz 範圍) 發熱特性的系統示意圖。
來自訊號產生器的訊號經由雙極性電源供應器放大，然後加到電容上。使用電流探針觀察當時的電流，使用電壓探針觀察電容器的電壓。同時，使用紅外線溫度計觀察電容器表面溫度，以釐清電流、電壓與表面溫度之間的關係。

圖 3 顯示測量溫度補償型電容器 (10 MHz 至 4 GHz 頻段) 發熱特性的系統示意圖和測量格式。

構成此系統的裝置和纜線全部標準化為 50 Ω，測量樣品安裝在形成微帶線的板上，兩端連接 SMA 連接器。來自訊號產生器的訊號經由高頻放大器放大，並應用在樣品 (DUT) 上，同時使用方向耦合器觀察反射。經由樣品輸出的訊號經由終止器（衰減器）衰減，並使用功率計觀察。同時，還會觀察樣品表面溫度。

2-2.電容器發熱特性資料

圖 4 顯示具有 B 特性的 3216 型 10 uF 在 6.3 V 時的發熱特性數據、阻抗和 ESR 頻率特性，作為高介電常數型多層陶瓷電容發熱特性測量數據的範例。

這些圖表顯示了 100 kHz、500 kHz 和 1 MHz 時交流電流與溫升之間的關係，以及阻抗 (Z) 和 ESR (R) 與頻率之間的關係。可確認發熱特性依序為 100 kHz > 500 kHz > 1 MHz 變小。此外，ESR 在 100 kHz 時為 10 mΩ、500 kHz 時為 6 mΩ、1 MHz 時為 5 mΩ，可確認 ESR 與發熱特性之間有很深的關係。