超級電容器廣泛用于備份應用，使得在斷開系統電源時有足夠供電時間讓電子設備電路作出緊急操作。本文介紹了超級電容選型時兩個最容易混淆的概念——自放電電流與漏電流，分析了兩者的差異及其重要性，以便工程師在電路設計時能夠做出正確選擇。

 

現今市場上，超級電容器?(Super capacitor)被定名為“超級(Super)”，似乎給人感覺“比一般電容更強、更有成效”。當然，即使像電影中的超人也有“弱點”，所以工程師使用超級電容器之前，了解其弱項，有針對性地進行選型或電路設計，會令產品開發事半功倍。

 

漏電流的概念

 

能夠讓超級電容器在特定電壓下保持“已充電”狀態下所需的電流量稱為“漏電流”（Leakage Current）。充電電流隨著時間的推移而減小，并且隨著時間的推移變得穩定，最后其穩態電流就是“漏電流”。

 

圖1中顯示了KEMET公司“FC系列”產品在室溫下的漏電流特性和測量電路。當超級電容器充電時，存在穩定的寄生電流(Parasitic Current)。超級電容器通過離子“吸收”和“釋放”造成充電，并且當離子試圖到達活性炭的細孔內部時，充電開始時的寄生電流很高。該初始電流稱為“吸收電流”。該充電電流隨著時間的推移而減小，并且隨著時間的推移變得穩定。在開始施加電壓30分鐘后的主電流分量是吸收電流。當吸收電流減小時，漏電流成為主要成分。

 

圖1：室溫下測量電路的漏電流特性

由于超級電容器擁有較高等效串聯電阻（ESR），因此連接到電源時，其高內阻會使高電流流動時電壓降增加。這意味著它在高需求期間無法輸出足夠的能量，所以普遍用于低壓應用。換言之，超級電容器只在細電流的環境下來作充電，所以“漏電流”是線路設計中不容輕視一個因素。

 

漏電流的計算

除了部份生產商直接提供參數值外，“漏電流值”可通過向超級電容器施加電壓直至特定時間后測量電阻器兩端的電壓，再根據以下簡單方程計算便能得出。

 

以KEMET公司的“FG系列”產品為例，規格書上提供了建議的串聯電阻及電源以協助工程師的實驗測試。

 

（注：電容器施加電壓前需將兩個端子短路將其放電，所需時間應參考規格書上的建議或更長時間）

 

自放電特性

 

當充電電源與超級電容器斷開后，由于其高內阻而開始失去電荷，這被稱為自放電（Self-Discharge）特性。在無負載條件的一段時間后，充電電容器中的電壓降，每兩周可能造成5-60％的電壓損失。實驗表明自放電率與各種參數相關——如溫度、充電持續時間和放電時間。圖2顯示了KEMET公司的FC系列超級電容器的自放電特性。

 

圖2，KEMET公司FC系列超級電容器的自放電特性

 

自放電電流的計算

 

通過將充電電壓直接連接于電容器的兩極（即電源和超級電容器之間沒有電阻器）作長時間充電，例如24小時，然后斷電，測量引腳到引腳間電壓，得出時間與終端電壓的關系(該試驗應在環境溫度為25℃或更低，相對濕度為70％RH或更低的環境中進行)，自放電電流可根據此特性曲線利用如下方程計算出。

 

自放電電流

當中,???? C 是電容值 Capacitance (F)

V0是某時段起始終端電壓(V)

V1 是某時段最后終端電壓(V)

Vdrop 是因電容內阻DCR的電壓降(V)

T 是某設定時段 (sec)

 

例如計算FC0H105ZFTBR44-SS的自放電電流：

 

圖3，FC0H105ZFTBR44-SS自放電特性

 

超級電容器選型參數

在選料方面，工程師通過了解以下超級電容器的電氣特性及其參數，可以讓選料更有效率。

 

• 電容值及額定電壓

 

由于超級電容器具有高電容，因此普遍應用于備用或峰值功率的能量供應設備，但與電池不同，能量的供應是依賴電容器的放電，因此放電時間越久，電壓值也會隨之下降。由于超級電容器包含復雜的等效電路，工程師可根據以下的公式作簡單的計算，以了解自己需要多大電容值。

 

 

 

當中??? V80%?= 最大電壓的80%;

V40%= 最大電壓的40%;

t1= 達到V80%的時間;

t2= 達到V40%的時間;

Id?= 放電電流? （穩定不變狀態）

 

想了解一般市場上超級電容產品“電容值”及“額定電壓”的可選范圍，可在Digi-Key 網站中查詢，相關數值會在產品的特性選項中顯示，如下圖4所示。

 

 

圖4，超級電容器的電容及額定電壓篩選列表

 

• ESR （等效串聯電阻）

 

電容器ESR 是另一個影響放電特性的重要參數之一。超級電容器的電壓會根據放電電流而下降。由于內阻（ESR）的存在，電壓也成比例地下降。這些電壓降會影響輸出，特別是當電容器用于高放電電流和降低電壓時。因此，考慮到電壓降，有必要計算所需的特性。可通過以下公式計算。

 

 

其中：阻值(不變)=R

放電時間=t

放電電壓=Vc

電容器電壓降=Vt

電容值 = C

 

 

圖5：電阻值不變時放電時間與電容器電壓降關系圖

 

想知道可以選擇的超級電容器的ESR范圍，Digi-Key 網站里中的特性選項也有列示，如下圖6所示。

 

圖6，超級電容器的ESR （等效串聯電阻）篩選列表

 

特殊應用的選料

 

對于只需少量電荷存儲而對空間敏感的應用，建議使用低容值及貼片型產品。例如以下Panasonic公司的EC-RG0V105V的19mm貼片超級電容器，提供3.3V微電路低壓的備用電量，適用于微處理器緊急而短暫的微電量供電應用。

 

圖7，Panasonic 公司的EC-RG0V105V

 

或例如需要較低ESR 而應用于高電壓的場景，如Cornell Dubilier Electronics (CDE) 公司的EDLRG105H3R6C，這種預設通孔端接硬幣型封裝元件，能提供高電容值，可作為集成電路電壓備份，也可用于從電池提供初始電源，它們可永遠不需要更換。

 

圖8，Cornell Dubilier Electronics (CDE) 公司的EDLRG105H3R6C

 

本文小節

 

超級電容器廣泛用于備份應用，使得在斷開系統電源時有足夠供電時間讓電子設備電路作出緊急操作。但人們很容易將自放電電流與漏電流的概念相混淆。漏電流是電容器“連接”充電源時使電容器保持“已充電”狀態下的穩態電流，而自放電是電容器“斷電”后在負載下的漏電，使電容器失去電能。了解兩者差異及其重要性，工程師便能在電路設計上作出正確的應對選擇。