射频大功率陶瓷电容应用

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射频大功率陶瓷电容应用

“为确保高射频功率设计应用中的最高可靠性水平，在将最大设备功率、最大电压和电流额定值、所有电路设备的热特性以及各种散热方式等因素纳入设计之前，应考虑到这些因素。最终产品设计。”

在当今的无线通信系统世界中，有无数的高射频功率应用需要使用高质量的专用陶瓷片式电容器。这些要求要求设计人员仔细考虑器件功耗、最大电流和电压额定值以及正常电路运行期间的热阻和温升等因素。本文重点介绍了选择适合这些应用的电容器产品所需的一些最基本要素。

功耗

为了确定在射频功率应用中工作的陶瓷电容器的器件功耗，电路设计人员必须考虑几个关键因素。其中最突出的是等效串联电阻 (ESR) 和最大工作电路电流 (Imax)。电容器的热阻 (θC) 以及安装表面的热特性也是在尝试确定给定电容器的额定功率时应考虑的关键因素。本文讨论了所有这些领域。

通过计算 rms 电路电流平方 (IC2) 和 ESR 的乘积，可以很容易地确定射频功率应用中电容器 (PCD) 消耗的实际功率，使得

 

ESR 考虑了介电材料、电极、终端和电极界面终端所产生的所有损耗。有趣的是，具有超低 ESR 和高压击穿特性（如瓷器类型）的电容器特别适合高射频功率应用。

电容器功耗示例

考虑以下示例，该示例包含一个 51 pF 射频瓷片耦合电容器，该电容器用于工作在 900 MHz 的无蜂窝基站的功率输出级，如图 1 所示。在 50 W 系统中射频功率为 60 W；耦合电容器在 900 MHz 时的 ESR 为 0.061 W。本应用中的总射频电流由以下公式确定

图 1 流经带有串联损耗元件的电容器的电流。

因此，电容器中消耗的总功率为

这个例子说明了 ESR 和电容器总功耗之间关系的重要性。此处，电容器因内部损耗而耗散的功率为 72 mW，即施加于电容器的总功率的 0.12%。这种低损耗是通过在这些应用中使用低 ESR 射频陶瓷电容器来实现的。材料技术的最新进展已经实现了更低的 ESR，进一步降低了电容器的功耗。

目前评级

制造商分配给电容器的最大电流额定值以两种方式之一表示：电压限制或功耗限制。适用的额定值取决于给定应用的电容值和工作频率。如果特定应用中电容器的额定电流 (IC) 受电压限制，则可以使用电容器的 rms 额定电压与容抗之间的关系来计算。因此，电压限制工作条件下的最大电流与电容器 rms 额定电压成正比，与其电抗成反比：

随着工作频率或电容的增加，在电流曲线上进入一个区域，其中电压限制电流的数值等于功耗限制的电流数值。如图 2 所示，这种情况出现在虚线和实线的交点处。在高于该交点的频率上，电流额定值仅由功耗限制决定。在该区域中，最大电流使用计算

图 2 ATC 系列 100 case B 电容器的电流 IC、电容和频率之间的关系

在哪里

因此，在该区域中，最大电流现在受到电容器功耗限制的限制。无论指定的额定功率（一个相对的术语）如何，始终需要具有低 ESR 的电容器来提供最佳的器件额定电流。

额定电压

最大额定电压主要由介电材料的介电强度或电压击穿特性决定。例如，陶瓷电介质的击穿电压通常超过 1000 V/mil 的电介质厚度，并且在指定的工作温度范围内几乎是恒定的。例如，由钛酸钡 (BaTiO3) 基材料制造的其他电介质由于其化学和微观结构组成的差异而表现出较低的击穿电压特性，如图 3 所示。

图 3 电压与电介质厚度

器件封装的外部也可能发生电压击穿。在这种情况下，与空气中的外部路径（终端到终端）的长度相比，施加的电压足够大以产生闪络。其他可能促进外部击穿的因素是表面污染以及环境因素，例如湿度和锋利边缘，尤其是在端子的直接区域。测试介电强度的一种方法是将测试样品浸入绝缘油浴中，从而消除外部闪络故障的发生。

热阻

在给定应用中运行的陶瓷电容器的热阻是确定器件额定功率 Pdmax 时必须了解的关键因素。知道热流路径的长度、热梯度和垂直面积，如图 4 所示，可以确定热阻 θ。

图 4 陶瓷电容器的热流路、热梯度和端接面积

长度为 L 和横截面积为 A 的给定电容器结构的热阻可以由以下关系式表示

热导 λ 表示为

在哪里

请注意，将 [W/(°C)(cm)] 乘以 0.2389 会将单位转换为 cal/(°C)(sec)(cm)。此外，热导率λ在25°至125°C的正常温度范围内基本恒定。

从这个表达式可以很容易地看出，热阻与热流路的长度成正比，与热导率和垂直于热流路的横截面积成反比。这种关系表明电容器的纵横比，即宽度和长度之比，在热阻的确定中起着重要作用。器件的功耗可以通过热阻表达式确定，方法是建立热流路径上的温差并除以 θ。因此，最大功耗表示为

用于计算陶瓷电容器最大功耗的热模型通常会考虑电容器的热阻及其安装表面。该模型假设热量主要通过电容器终端和外部引线的传导来去除。由于在此模型中忽略了通过辐射和对流进行的散热，因此建立了最大功率耗散的安全系数。该模型进一步假设电容器终端的热阻与陶瓷体相比是微不足道的，因此可以忽略不计。安装表面的影响也被忽略，图 5 所示的温升计算假设为无限大的散热器。

图 5 安装在散热器上的电容器的热模型。

温度上升

沿热流轴的最大温度变化称为温升或热梯度。作为射频电流函数的温升的假设确定并不总是直截了当的。为了合理处理该值，设计人员必须考虑电容器的 ESR 和热阻及其安装表面。

给定应用中的 ESR 和电流，可以计算电容器的功耗 PCD 以及电容器中产生的热量。还可以确定电容器的热阻及其与散热器的外部连接，因此可以确定高于环境的温升。假设一个无限大的散热器和一个制造缺陷为零的电容器，可以使用以下公式计算温升

图 6 显示了电容器的功耗与电容器外壳温度变化之间的关系。

图 6 PCD 作为温度的函数。

传热方法

热量可以通过多种方式传入或传出陶瓷电容器结构的边界。只有当电容器与其周围环境之间存在温差时，才会发生热传递。热量通过传导、对流和辐射进行传递，它们可以单独发生，也可以同时发生。

热传导

通过传导传递的热能主要发生在陶瓷电容器结构的终端区域。在这种情况下，由于电容器终端和电路板表面上的连接点之间存在物理接触，因此会发生热传递。通过传导的能量传递发生在温度降低的方向上，并且是由于沿热流路径长度的温度梯度。

在分子水平上，传导可以被认为是能量从能量更高的热态到能量更低的热态的转移。因此，当分子相互碰撞时，能量以热量的形式从高能分子转移到低能分子。这种热传递是由于分子的随机运动以及它们在两个热梯度内的相互作用。随着温度升高，分子之间的活性或相互作用也增加。这些分子相互碰撞，因此以热的形式传递能量。

根据傅里叶热传导定律，传导过程可以量化为热通量率方程。该定律指出，通过固体均匀结构的热流率与垂直于热流路径方向的截面面积和沿热流路径的单位长度温差成正比，如图所示图 7. 因此，

图 7 通过固体均匀结构的热流。

请注意，与 λ 相关的负号表示热量从高温传导到低温，或逆温度梯度流动。

热对流

固体表面与周围环境中移动的空气之间的能量传递通常称为对流。对流引起的热传递是介电材料中的扩散或分子运动与周围空气的整体运动的交互组合。基本上有两种类型的对流热传递：自然（自由）和强制。由于设备表面温度和周围环境温度之间的变化差异，自然对流是由力引起的；也就是说，热量直接被空气吸收并带走。自然对流或自由对流是由物体（在本例中为陶瓷电容器）与其周围环境之间的热梯度引起的空气运动引起的。

强制对流热流由外部装置引起，例如冷却风扇。由于强制流动的传热系数通常大于自然对流的传热系数。在大多数情况下，当有强制气流时，可以忽略自由对流，因此强制对流为对流冷却提供了更大的效果。

牛顿冷却定律用于模拟物体的温度变化，该物体在某个初始升高的温度下放置在较低温度的环境中。该定律指出，温暖物体的冷却速度与温暖物体的温度与其周围环境的温度之间的温差大致成正比。因此，

求解 T 的微分方程意味着将 T 放在一侧，将 t 放在另一侧，这样

双方融合产生

并求解T给出

从这个表达式可以看出，冷却过程是指数的，即先快速，然后趋于平稳。因此，这个特性可以被认为是物体的热时间常数。物体T的温度现在可以直接表示为时间t(s)。在牛顿冷却定律中，t 是变量，其中 TA、k 和 C 是常数。为了确定物体在给定时间的温度，所有常数都必须具有数值。

热辐射

热辐射是物质发射并通过电磁波或光子传输的能量。虽然通过对流或传导进行的能量传递需要介质的存在，但电磁波不需要介质传播，并且会在真空中最有效地传递热能。理想黑体辐射器的平方厘米每秒可以从表面以光子的形式发射辐射的总能量等于升高到四次方的温度。这种能量发射是由辐射物体的原子或分子的电子构型变化引起的。

Stefan-Boltzmann 定律给出了可以从表面发射辐射的最大热通量。法律采取形式

从这个方程可以看出，温度的小幅增加会导致发射的辐射能量大大增加。如果温度加倍，则发射的能量会增加 16 倍。表面发射率表示给定物体的表面相对于理想黑体辐射器发射辐射能量的效率。 理想黑体的发射率参考等于 1.0。就像表面发射能量一样，另一个表面可以吸收一部分能量。各种材料的表面特性都会影响辐射的热量。

辐射强度定义为通过单位立体角的每单位表面积发射能量的比率。来自表面的辐射在不同方向上具有不同的强度。沿表面法线的辐射强度称为法线辐射强度。

当热辐射撞击固体物体时，部分能量可以通过物体被吸收、反射或传输。该能量根据材料的表面发射率和密度以各种比例分散，如图 8 所示。被物体吸收的入射辐射部分是其吸收率 α。另一部分入射辐射能量将被反射，称为反射率 ρ。最后，通过物体传输的辐射能量部分称为传输率 τ。辐射能量的所有这些部分的总和是统一的，因此，

图 8 热辐射分散。

应用注意事项

本文重点介绍了为高射频功率应用设计电路元件时需要考虑的几个主要因素。一些最重要的考虑与 ESR、器件的热阻、安装表面特性和散热等直接相关。这些因素与整个设计的整体热管理相关，需要仔细评估所有电路元件及其对设计整体热负载的贡献。下面总结了这些考虑的一些指导方针。

• 选择具有超低 ESR 和耗散因数特性的电容器产品始终是谨慎的，尤其是考虑到高射频功率设计的热管理考虑。这种选择将确保最有效的操作并最大限度地减少应用中产生的热量。

• 电容器安装面和散热器的热阻应尽可能低。由于热量主要通过电容器的端子传导到板上的金属接触点，因此评估所有相关材料的热导率等特性以及接触点处的电路板走线尺寸和材料厚度等特性非常重要。

• 由于热传递的大部分主要通过电容器的终端，陶瓷芯片电容器的热路径可以通过使用外部引线（如银微带带）进一步改善。带状引线将有助于更有效地将热量从电容器中排出。引线还可以用作机械应力消除装置，尤其是在电容器和电路板材料之间的热膨胀系数明显不匹配的情况下。银铅料根据电容器主体的宽度量身定制，使其适合此目的。

• 必须明智地评估整个设计的整体热管理。应用中的功率 FET 和有源增益块以及其他无源器件等器件将在运行期间提供额外的热源，从而增加设计模块的整体热负载。必须注意考虑最终设计中所有热源的影响。

• 使用并联使用多个电容器的电容器组件将大大扩展单个电容器的电流和额定功率。采用各种组合的坚固陶瓷电容器构建块的组件将大大扩展电容、电压和电流处理能力。例如，并联两个等值电容器的 ESR 约为一个电容器的二分之一，从而提供几乎两倍的电流处理能力，这是一个难以忽视的优势。

结论

为确保在高射频功率设计应用中达到最高水平的可靠性，在将最大器件功率、最大电压和电流额定值、所有电路器件的热特性以及各种散热方式等因素纳入设计之前，应考虑到这些因素。最终产品设计。此外，在为这些应用选择陶瓷片式电容器时，谨慎的做法是首先评估特定电容器在应用工作频率下的 ESR。了解 ESR 和网络阻抗将使设计人员能够快速计算电容器消耗的功率。这种考虑对于应用中的所有其他电路元件同样重要。以热管理为重点的适当设计将有助于确保高效和无故障运行。