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”（LeakageCurrent）。充電電流隨著時間的推移而減小，並且隨著時間的推移變得穩定，最後其穩態電流就是“漏電流”。

 

圖1中顯示了KEMET公司“FC係列”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，並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
，並且隨著時間的推移變得穩定。在開始施加電壓30分鍾後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

 

由於超級電容器擁有較高等效串聯電阻（ESR），因yin此ci連lian接jie到dao電dian源yuan時shi，其qi高gao內nei阻zu會hui使shi高gao電dian流liu流liu動dong時shi電dian壓ya降jiang增zeng加jia。這zhe意yi味wei著zhe它ta在zai高gao需xu求qiu期qi間jian無wu法fa輸shu出chu足zu夠gou的de能neng量liang，所suo以yi普pu遍bian用yong於yu低di壓ya應ying用yong。換huan言yan之zhi
，超chao級ji電dian容rong器qi隻zhi在zai細xi電dian流liu的de環huan境jing下xia來lai作zuo充chong電dian，所suo以yi“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後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係列”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後，由於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後
，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係列超級電容器的自放電特性。

 

圖2：KEMET公司FC係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於電容器的兩極（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
，然後斷電，測量引腳到引腳間電壓，得出時間與終端電壓的關係(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 是某時段最後終端電壓(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

 

在選料方麵，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you於yu超chao級ji電dian容rong器qi具ju有you高gao電dian容rong，因yin此ci普pu遍bian應ying用yong於yu備bei用yong或huo峰feng值zhi功gong率lv的de能neng量liang供gong應ying設she備bei
，但dan與yu電dian池chi不bu同tong，能neng量liang的de供gong應ying是shi依yi賴lai電dian容rong器qi的de放fang電dian，因yin此ci放fang電dian時shi間jian越yue久jiu，電dian壓ya值zhi也ye會hui隨sui之zhi下xia降jiang。由you於yu超chao級ji電dian容rong器qi包bao含han複fu雜za的de等deng效xiao電dian路lu
，工gong程cheng師shi可ke根gen據ju以yi下xia的de公gong式shi作zuo簡jian單dan的de計ji算suan，以yi了le解jie自zi己ji需xu要yao多duo大da電dian容rong值zhi。

 

                     

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”的可選範圍
，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。由於內阻（ESR）的de存cun在zai，電dian壓ya也ye成cheng比bi例li地di下xia降jiang。這zhe些xie電dian壓ya降jiang會hui影ying響xiang輸shu出chu
，特te別bie是shi當dang電dian容rong器qi用yong於yu高gao放fang電dian電dian流liu和he降jiang低di電dian壓ya時shi。因yin此ci，考kao慮lv到dao電dian壓ya降jiang，有you必bi要yao計ji算suan所suo需xu的de特te性xing。可ke通tong過guo以yi下xia公gong式shi計ji算suan。

           

 

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係圖

 

想知道可以選擇的超級電容器的ESR範圍，Digi-Key 網站裏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

 

對於隻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

，適用於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 而應用於高電壓的場景，如Cornell Dubilier Electronics (CDE) 公司的EDLRG105H3R6C，zhezhongyushetongkongduanjieyingbixingfengzhuangyuanjian，nengtigonggaodianrongzhi，kezuoweijichengdianludianyabeifen，yekeyongyucongdianchitigongchushidianyuan
，tamenkeyongyuanbuxuyaogenghuan。

 

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

 

本文小結

 

超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)備(bei)份(fen)應(ying)用(yong)，使(shi)得(de)在(zai)斷(duan)開(kai)係(xi)統(tong)電(dian)源(yuan)時(shi)有(you)足(zu)夠(gou)供(gong)電(dian)時(shi)間(jian)讓(rang)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)電(dian)路(lu)作(zuo)出(chu)緊(jin)急(ji)操(cao)作(zuo)。但(dan)人(ren)們(men)很(hen)容(rong)易(yi)將(jiang)自(zi)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)與(yu)漏(lou)電(dian)流(liu)的(de)概(gai)念(nian)相(xiang)混(hun)淆(xiao)。漏(lou)電(dian)流(liu)是(shi)電(dian)容(rong)器(qi)“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”後在負載下的漏電，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。