你真的了解超级电容吗（漏电流的概念）

在现在的市场上，超级电容器被命名为“超级”，这似乎给人的感觉是“比普通电容器更强大，更有效”。当然，即使是电影中的超人也有“弱点”，所以在使用超级电容之前，工程师也要了解其弱点，有针对性地进行选型或电路设计，这样会让产品开发事半功倍。

漏电流的概念

在特定电压下保持超级电容器处于“充电”状态所需的电流量称为“泄漏电流”。充电电流随着时间的推移而减小，随着时间的推移而趋于稳定，最终其稳态电流为“漏电流”。

图1显示了KEMET FC系列产品在室温下的漏电流特性和测量电路。超级电容充电时，有稳定的寄生电流。超级电容器通过离子“吸收”和“释放”进行充电，当离子试图到达活性炭的孔隙内部时，充电初期的寄生电流很高。这个初始电流称为“吸收电流”。充电电流随时间减小，并随时间变得稳定。从电压施加开始30分钟后的主要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

由于超级电容器具有高等效串联电阻(ESR)，当连接到电源时，其高内阻会增加大电流流动时的压降。这意味着它不能在高需求期间输出足够的能量，因此它被广泛用于低电压应用中。换句话说，超级电容只在细电流的环境下充电，所以“漏电流”是电路设计中不可低估的因素。

泄漏电流的计算

除了某些厂商直接提供的参数值外，还可以通过向超级电容器施加电压直到某个时间，测量电阻器两端的电压，然后根据下面的简单等式进行计算，来获得“泄漏电流值”。

以KEMET公司的“FG系列”产品为例，规范提供了推荐的串联电阻和电源，协助工程师进行实验测试。

(注：在对电容器施加电压之前，需要将两个端子短路使其放电，所需时间应参考说明书中的建议或更长。)

自放电特性

当充电电源与超级电容断开时，由于其内阻较高，开始失去电荷，称为自放电特性。在一段时间的空载条件后，充电电容器中的电压下降可能会导致每两周5-60%的电压损失。实验表明自放电率与各种参数如温度、充电持续时间和放电时间有关。图2显示了KEMET公司的FC系列超级电容器的自放电特性。

图二。KEMET公司FC系列超级电容器的自放电特性。

自放电电流的计算

通过将充电电压长时间(如24小时)直接接在电容器的两极(即电源与超级电容器之间没有电阻)，然后切断电源，得到时间与端电压的关系(测试应在环境温度25及以下，相对湿度70% RH及以下的环境中进行)，根据此特性曲线，可利用下式计算自放电电流。

自放电电流

其中c是电容(F)

V0是某一周期的起始端电压(V)。

V1是某段时间的最后端电压(V)。

Vdrop是由电容DCR的内阻引起的电压降(V)。

t是设定的时间段(秒)

例如，计算FC0H105ZFTBR44-SS的自放电电流：

图3，FC0H105ZFTBR44-SS的自放电特性

超级电容器的选择参数

在选材上，工程师可以通过了解以下超级电容器的电气特性和参数，使选材更加高效。

电容值和额定电压

超级电容器因其容量高，被广泛应用于待机或峰值功率的供能设备，但与电池不同，能量的供给依赖于电容器的放电，因此放电时间越长，电压值越低。因为超级电容包含复杂的等效电路，工程师可以根据下面的公式进行简单的计算，就可以知道需要多大的电容。

其中V80%=最大电压的80%；

V40%=最大电压的40%；

T1=达到V80%的时间；

T2=达到40% V的时间；

Id=放电电流(稳态)

如果想了解一般市场上超级电容产品的“电容值”和“额定电压”的可选范围，可以在Digi-Key网站上查看，相关数值会显示在产品的特性选项中，如下图4所示。

图4。超级电容器容量和额定电压筛选表。

等效串联电阻

电容ESR是影响放电特性的另一个重要参数。超级电容器的电压将根据放电电流而下降。由于内阻(ESR)的存在，电压也成比例下降。这些压降会影响输出，尤其是当电容器用于高放电电流和降压时。因此，考虑到电压降，有必要计算所需的特性。可以通过以下公式计算。

其中：电阻(常数)=R

放电时间=t

放电电压=Vc

电容器的电压降=Vt

电容值=C

图5:电阻值不变时放电时间与电容器压降的关系。

为了了解可以选择的超级电容器的ESR范围，Digi-Key网站上的特性选项也列出来了，如下图6所示。

图6，超级电容器ESR(等效串联电阻)筛选列表。

特殊应用的材料选择

对于只需要少量电荷存储的空间敏感型应用，建议使用低电容和贴片型产品。如松下公司EC-RG0V105V以下19mm贴片超级电容提供3.3V微电路低压备用电源，适用于微处理器应急和短时微电源应用。

图7，松下公司EC-RG0V105V。

或者比如需要较低的ESR，应用于高压场景，比如康乃尔双电子(CDE)公司的EDLRG105H3R6C。这种预设通孔端接的硬币型封装元件可以提供高电容值，可以用作集成电路的电压备份或电池的初始电源，并且它们永远不能被替代。

图8，康乃尔杜比利尔电子(CDE)公司的EDLRG105H3R6C。

本文摘要

超级电容器广泛应用于备份应用，使电子设备电路在系统电源断开时有足够的供电时间进行应急操作。但是很容易混淆自放电电流和漏电流的概念。漏电流是电容器“接入”充电电源时，使电容器保持“充电”状态的稳态电流，而自放电是电容器“断电”后，在负载下产生的漏电流，使电容器失去电力。了解它们的区别和重要性，工程师就能在电路设计中做出正确的选择。