1.3.2 温度的影响及其实例

1912年，罗伯特·斯科特南极探险队在极寒的天气中，发现为取暖准备的煤油全部漏光，原因是装煤油的铁桶是用锡焊接的，在极低温时，焊锡变成了粉末，导致煤油漏出铁桶。这个问题的原因是锡在低温下结晶状态发生改变。

材料的特性会随着温度而改变，在电路中，元器件的工作特性同样会受温度的影响而改变。

【案例1.8】低温下电子设备启动异常

某产品在低温条件下，底层驱动软件在初始化电机控制电路过程中，偶尔遇到死机现象。

〖讨论〗

通过监测低温下元器件工作电压的波动，确定故障原因是控制电路上有一颗芯片采用了液态电解质铝电容作为滤波电容。电机启动中会产生很大的负载电流波动Δ I ，而铝电解电容的液态电解质在低温下状态改变，导致电容的ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电阻）大幅度增大，根据Δ V =Δ I ×ESR，使芯片电压产生很大的波动，导致出错。低温测试时，由于电压波动峰-峰值恰在限值附近，所以故障表现出偶发性。

〖扩展〗

铝电解电容手册上的ESR通常是在常温（多数厂家定义常温条件为20℃或25℃）下定义的。若设备的工作环境温度较低，需注意ESR会增大很多倍。笔者曾经利用测试仪器对电路板上的一颗标称值为0.22Ω（标称值的测试条件：注入能量的频率为100kHz，环境温度为20℃）的铝电解电容进行测试，测试频率为100kHz，环境温度为20℃时，ESR测试结果为0.28Ω，接近标称值；但在环境温度为-20℃时，ESR测试结果为6.3Ω。可以看出，对于液态电解质的铝电容，ESR是随着温度的降低而急剧变大的。并且，根据测试结果，在低温下，这个参数的元器件间偏差非常大。

所以，在设计中，需注意以下三点：

①了解所使用的元器件，哪些参数会明显随着温度而变化。

②了解参数随温度变化的趋势。

③通过仔细阅读元器件手册，了解在这种温度变化趋势下，元器件的参数偏差是否会变得很大，以至于在手册中无法定义。

第③点是重要而又容易被忽略的。有一些善于计算的工程师，喜欢通过计算来估计电路工作的边界。本案例中，根据电容的ESR，结合负载波动电流Δ I ，可以估算出在电容上产生的Δ V 。但由于ESR会随着温度而变化，特别是，在低温下，元器件间的ESR偏差很大，这就对计算结果造成了很大不确定性。所以最终计算出的Δ V 极限值，看似准确实则不准确，工程师反而容易被计算值所误导。

这种情况下正确的做法是，衡量某电容的ESR对设计的影响。若影响很大，而ESR的极限值又无法被准确评估，则应在设计中规避此元器件的使用，更换其他参数值稳定的元器件。

在本案例中，负载电流Δ I 波动较大，所以应规避使用ESR随着温度变化剧烈，且在低温下参数值偏差很大，无法准确估量ESR极限值的液态电解质铝电容，而改用ESR较稳定的有机聚合物固态铝电容。

电路板上的元器件，关键参数随温度的变化，一般而言都有比较明确的变化趋势。若产品工作环境温度变化范围较大，硬件工程师需仔细研究自己设计中涉及的关键元器件的温度特性及其参数变化范围。

在笔者调试的电子产品故障中，有很大比例和元器件参数随温度的变化有关。 也就是说，不达到特定温度（高温或低温），不达到特定的温度变化速度，很多故障不会暴露出来。

硬件工程师需掌握关键元器件的关键参数的温度变化趋势和特征，做到这一点，对设计、调试和测试都有重大意义。

以下针对电路板上常用的陶瓷电容、钽电容、铝电解电容，分别介绍它们的关键参数随温度变化的趋势，以及相关应用要点。

1.3.2.1 陶瓷电容

首先研究陶瓷电容容值随着温度的变化关系。

在手册上，陶瓷电容容值是基于环境温度为25℃定义的。陶瓷电容容值会随着温度而变化，不同类型的陶瓷电容，变化趋势近似，但变化范围差异比较大。在设计中，需从手册中获取参数变化曲线，以便于分析在工作环境极限条件下容值的变化是否会对设计产生影响。

图1.16展示了两颗同一厂家的、容值相同的陶瓷电容容值随温度变化的曲线。

一颗陶瓷电容的规格是X6S，另一颗是X5R。

· “X”的含义是最低工作温度为-55℃；

· “5”的含义是最高工作温度为85℃；

· “6”的含义是最高工作温度为105℃；

· “R”的含义是温度稳定性为±15%；

· “S”的含义是温度稳定性为±22%。

早些年由于材料的限制，高容值陶瓷电容的规格是Y5V、Z5U等，容值受温度影响的变化范围甚至会达到±80%以上。随着技术的发展，温度特性更好的X5R、X6S也能实现高容值，所以Y5V、Z5U等规格的电容已逐步被淘汰。

接下来研究陶瓷电容的ESR随着温度的变化关系。

图1.17展示了Murata公司的一颗容值为1µF、0402封装陶瓷电容的ESR和频率、温度之间的关系曲线。

在滤波电路中，陶瓷电容的工作频段一般在1MHz以上，由于ESL（等效串联电感）和板上贴装感性的影响，工作频段大多被局限在100MHz以下。在1～100MHz这个工作频段，陶瓷电容的ESR比较小。例如，1µF以上的陶瓷电容，ESR约在50mΩ以下，且随着容值的增大，陶瓷电容的ESR会进一步减小，当达到100µF时，陶瓷电容的ESR一般已经小于5mΩ。所以，虽然陶瓷电容的ESR会随着温度的降低而增大，但由于在1～100MHz工作频段ESR受温度影响不大，且ESR本身比较小，在ESR上产生的功耗和电压波动也比较小，所以在工程设计中，一般不会特别关注陶瓷电容ESR随温度的变化。

1.3.2.2 钽电容

钽电容容值具有良好的温度稳定性。如图1.18（a）所示，随着温度的升高，钽电容容值基本呈现线性变化，且在-40～85℃温度范围内，容值变化范围在±5%以内。

钽电容的ESR随着温度的降低而增大。以AVX公司提供的曲线为例，如图1.18（b）所示，在-20℃时，钽电容的ESR会比室温20℃时大20%；在-40℃时，比室温20℃时大40%。

ESR对电容应用有三方面影响：

①交流电流Δ I 流过电容时产生电压波动，构成电路上的噪声，Δ V =Δ I ×ESR。

②交流电流均方根值Δ I _RMS 流过电容，产生Δ V _RMS =Δ I _RMS ×ESR。钽电容手册对Δ V _RMS 的额定值有限制。

③交流电流Δ I 流过电容时，在ESR上产生功耗， P = ×ESR，其中Δ I _RMS 指流过电容交流电流的均方根值。钽电容手册对 P 的额定值有限制。

研究这三个因素受温度的影响。随着温度的降低，ESR增大，所以 P 增大、Δ V 增大，但手册中定义的Δ I _RMS 额定值、Δ V _RMS 额定值也随着温度的降低而增大。图1.19是AVX公司的TAJ系列钽电容手册中对这两个参数的定义。

所以，尽管钽电容ESR随着温度的降低而增大，但和ESR有关的Δ I _RMS 、Δ V _RMS 额定值也随温度的降低而增大，所以温度对第②、③点的影响在大多情况下可以忽略。说明：Δ V _RMS 并不是钽电容必备的参数。

但温度对第①点的影响是存在的。若产品对低温时的噪声仍然有较高要求，则需考虑温度对钽电容ESR的影响。关于这一点影响，补充说明三点：

①钽电容ESR受温度的影响，比液态电解质铝电容ESR受温度的影响小得多。前面提到，从20℃降低到-20℃，钽电容的ESR增大约20%，而液态电解质铝电容的ESR将增大10倍以上。

②钽电容发挥滤波功能时，若后面的负载芯片是CMOS工艺，由于CMOS工艺元器件的功耗、负载电流的变化趋势是随着温度的降低而减小，所以在大多数设计中，钽电容ESR随温度降低而对噪声产生的影响几乎是可以忽略的。

③尽管钽电容ESR随温度降低而对噪声产生的影响一般可以忽略，但由于钽电容ESR比较大，数值从几百毫欧级到欧姆级，所以在设计中必须关注ESR本身对噪声产生的影响。

1.3.2.3 铝电解电容

目前常用的铝电解电容有两种：一种是液态电解质的，本书称为传统铝电解电容；另一种是固态电解质的，本书称为有机聚合物铝电容。

相对于传统铝电解电容，有机聚合物铝电容有ESR小、温度特性好、同等条件下可靠性寿命更高的优点，成为在电压50V以下场合主流应用（目前也有部分型号支持最高电压达到100V）。

而传统铝电解电容，以耐压能力好、容值高的优势，仍然广泛应用于电压稍高的场合（如高于或等于24V）。

1.传统铝电解电容的温度影响

图1.20是Panasonic公司的一颗容值为220µF、额定电压为10V的传统铝电解电容容值和ESR的温度特性曲线。可以看出，随着温度降低，容值基本呈现较缓的线性下降，对电容应用并不构成主要影响。对设计有影响的是，在0℃以下，ESR随着温度降低而指数型迅速增大，在滤波电路中，可能导致电源波动Δ V 迅速增大。

由于ESR还和频率有关系，所以在传统铝电解电容的手册上，有时会提供ESR、温度、频率三者之间的关系图（见图1.21），可在设计中参考。

在滤波电路中，电容的功耗 。虽然在0℃以下，ESR随着温度而迅速增大，但由于环境温度降低，电容的额定功率也增大，因此手册上通常不提供对应低温下的 I _RMS 额定值，仅提供高温下的参数值，如图1.22所示。

2.有机聚合物铝电容

有机聚合物铝电容容值与ESR的温度特性均远优于液态电解质铝电容，本书不再赘述。

在电路设计中，有越来越多的场合会用有机聚合物铝电容替代传统液态电解质铝电容，但笔者认为，在以下场合应谨慎使用有机聚合物铝电容。

· 在电路板入口，存在较高冲击电流的场合；

· 在需利用电容ESR实现电源环路稳定性的场合；

· 在存在较高工作电压的场合；

· 在有较长供电电缆或PCB电源布线较长的场合。

在以上场合，都因有机聚合物铝电容ESR偏小而可能给设计带来问题。

值得注意的是，无论传统铝电容还是有机聚合物铝电容，受温度影响最大的还是寿命。通常，在额定温度范围内，温度每升高10℃，传统铝电解电容寿命变为原来的一半；温度每升高20℃，有机聚合物铝电容寿命变为原来的十分之一。在寿命预计的过程中，我们通过控制电容的工作温度来保证电容寿命满足产品的要求。 HUm4W0wl9C0255vTvCWBAin8IpCGvZbT4e1yMfSWBMj+RLogvrWtAXFgx4I3FLFp