电容基础知识和选用规则

电容基础知识和选用规则可靠性设计的目的可靠性设计是为了在设计、生产、使用过程中挖掘和确定隐患，并采取设计预防和设计改进措施，有效地消除隐患。从而形成产品的固有可靠性。产品可靠性的三个阶段：设计阶段、生产制造和使用过程。电容知识和选用规则一、电容分类二、电容器器件简介三、工作区、产品额定工作点的定义四、规则五、电容器器件选择要点一、电容分类非固体铝电解电容器固体钽电解电容器金属化薄膜电容器一般的金属化薄膜电容器安规电容陶瓷电容器I类瓷介电容器（NP0、SL）II类瓷介电容器III型介质陶瓷电容器磁性瓷陶瓷电容器二、电容器器件简介1.非固体铝电解电容器介绍非固体铝电解电容器的工作介质是在金属铝极箔表面用电解法生成的一层金属氧化物──三氧化二铝（Al2O3），之所以称为非固体，是因为铝电容器的负极是由液体（也称作电解液）充当的。铝电解电容器的结构图如下：铝电解电容器在电路中主要起滤波、隔直、稳压的作用，实际制造出来的电容器在电路中使用时并不是理想的元件，含有ESR和ESL，其等效电路图如下：ESR的存在是电容器工作时发热的最主要原因，它不但决定了流过电容器的纹波电流的大小，更是影响电容器实际使用寿命的重要因素。铝电解电容器的芯子是卷绕而成的，所以有ESL的存在，它决定了铝电解电容器工作频率不能太高，否则就没有滤波效果，铝电解的工作频率一般在几十Hz~~100KHz。铝电解电容器是有极性的，在应用时绝不能反接。ESRESLC1.非固体铝电解电容器介绍1.非固体铝电解电容器介绍相对于其它阻容器件来讲，铝电解电容器因含有液体作负极材料，所以失效率相对较高，且有严格的寿命要求，这在设计选型时需考虑。铝电解常见的失效模式有：短路，开路，电参数性能劣化，防爆阀开裂，漏液。从铝电解电容器应用过程中的失效原因看，主要有以下三种：◆电应力引起的失效；◆热应力引起的失效；◆机械应力引起的失效；2、固体钽电容器钽电容器是以钽金属作阳极，钽金属氧化物（Ta2O5）作介质，以MnO2或导电聚合物作阴极的电容器。固体钽电容器的制造工序是：先将金属钽粉压制成型，通过高温烧结制成阳极体，将阳极体通过阳极氧化工艺形成Ta2O5介质，再经过被覆工艺引出MnO2阴极，裹石墨、银浆料，最后包封环氧树酯。钽电容器是目前世界上比容最大的电容器。高的工作电压直接击穿Ta2O5介质，导致短路失效；高的环境温度导致电容器失效，纹波电流是发热的根本原因，必须限制；较高的工作电压，较高的环境温度的双重作用，造成局部Ta2O5介质膜晶化，导致击穿。反向电压直接破坏Ta2O5介质，导致电容器失效过大的冲击电流，使钽电容器丧失自愈能力，导致开，关机过程钽电容器失效。因此，选择工作电压，反向电压，壳温，纹波电流，冲击电流作为降额考核点。2、固体钽电容器3、金属化薄膜电容器薄膜电容器是以纸，塑料等薄膜材料作绝缘介质的一类电容器。金属化薄膜电容器是直接在聚酯膜，聚丙烯等薄膜材料上蒸镀金属作为电极而制成。金属化薄膜电容器的特点是损耗低，温度特性，高频特性好，自愈能力强。常用的薄膜材料有聚酯膜，聚丙烯膜等。表贴电容器采用耐温更高的聚苯硫醚薄膜。3、金属化薄膜电容器①过高的环境温度，直接破坏电容器介质膜；②长期的高温环境，加速薄膜材料的老化，使器件绝缘，耐压能力下降。③高纹波电流引起的发热，对电容器造成同样的破坏。因此，选择工作电压，环境温度，纹波电流作为降额考核点。4、陶瓷电容器陶瓷电容器是以陶瓷材料作介质的电容器,特性主要取决于介质特性和结构。按介质材料特性可分为I型介质，II型介质，III型介质，磁性瓷等，常用的是I型介质、II型介质陶瓷电容器。I类瓷介电容器（NP0、SL）的主要特点是介质损耗低，电容量对温度，频率，电压和时间的稳定性高。II类瓷介电容器（X7R、X5R、Y5U）是一种具有高介电常数的电容器，此类电容器的主要特点是体积小，容量大，但损耗角正切值较大，容量对温度，频率，电压和时间的稳定性比较差。从结构上可分为单层陶瓷(引线式瓷介电容器)和多层陶瓷(引线式独石电容器，片状多层陶瓷电容器)。4、陶瓷电容器陶瓷电容器常见失效模式：电致开裂、热致开裂、机械应力产生裂纹等。常见故障现象为绝缘电阻下降而漏导电流上升直至击穿。综合上述情况，电压、温度降额使用是提高电容器工作可靠性和寿命的重要手段。因此选取工作电压V、壳温TC为陶瓷电容器的降额考核点。三、稳态、非稳态工作区和额定工作点的定义1.稳态工作区当电源类产品在正常工作时，应满足产品手册规定的如下条件：（a）按产品手册规定进行装配。（b）输出电压在产品手册规定变化范围内，输出功率在额定最小值到最大值间。（c）输入在产品手册规定的电压和频率范围内。（d）各种环境条件如温度和湿度等，在产品手册规定的范围内。如图中阴影之外的部分均表示电源工作在非稳态工作区（“暂态”工作区），非稳态工作区是产品短时间过渡工作的区域，例如开机启动、输入欠压、OCP过流保护、OVP过压保护、电源负载跳变（如空载到满载，空载到短路，半载到满载等等）、输入跳变等。电源风扇停转之后，如有器件仍在工作，则也必须对器件应力考核点加以考虑测试（尤其是发热元件可能出现的最高温度），该情况亦规定为电源工作在非稳态区。可以这样理解：非稳态区虽然是电源工作时也将碰到的情况，但非稳态区里面的点对应的则是器件短暂时间工作的点。2.非稳态工作区2.非稳态工作区由于电源工作在非稳态区的时间一般来说很短，因此在此情况下器件的降额百分比不如稳态区严格。但必须注意，实际情况中非稳态区的器件应力往往比稳态区大得多，如果实际设计时疏忽了此区域的降额，则很有可能导致损坏（例如在开机、输出短路等情况下的损坏，等等）。3.额定工作点产品规格书中所规定的产品标称典型工作条件的组合主要是输入电压、负载、工作环境温度等）。若产品规格书未指明典型工作条件，则以标称工作范围的最大值代替。产品额定工作点属于产品的稳态工作区，产品额定工作点基本上代表了产品在市场上的典型运行情况，因此在产品额定工作点下，对于某些器件来讲，为了保证其低失效率，在该点下的降额比“稳态工作区最坏情况”的降额要求更加严格。四、规则当讨论产品在不同环境下的使用寿命时，一般采用“10规则”的表达方式。即当周围环境上升时，产品寿命就会减少一半，当周围环境温度上升20时，产品寿命就会减少到1/4.这种规则可说明温度是如何影响产品的寿命的。四、规则电容器的估计寿命用下述公式表示：其中，表示最高工作温度下的寿命，Tmax表示最高工作温度，Ta表示实际环境温度。由此可见，如果环境温度每升高10，电容器寿命将下降一半！五、电容器器件选择要点电容器的使用和选择1.电容器的寿命与温度关系极大，因此控制电容器的温度是设计人员重点考虑的。2.当使用电压（尤其是纹波电压）过高时容易产生热。3.高频时铝电解的电容量会急剧下降，当电容在高频工作时会发热。4.滤波电路应尽量采用铝电解电容，如果需要使用钽电容需注意限制冲击电流。5.钽电容的使用寿命远高于铝电解电容，但最高电压不高，要注意浪涌电压的破坏。五、电容器器件选择要点降额使用一般来讲，使用电容的额定电压的50％，避免过压对电容的伤害；热设计在摄氏85度的环境下使用，建议在图中所示的温度数值范围内使用，如图所示。1.非固体铝电解电容器在稳态、非稳态工作区最坏应力情况下，正向电压（稳态工作区），浪涌电压（非稳态工作区）降额必须满足下表：2.固体钽电解电容器在最坏的情况下，工作电压V必须满足下表：3.金属化薄膜电容器一般用途的薄膜电容器，在最坏的情况下，工作电压V必须满足下表：安规电容器，只要求将275VAC的安规电容器用于220VAC电压等级的场合，但不具体规定降额系数。在最坏的情况下，通用陶瓷电容器工作电压V必须满足下表：最坏的情况下，安规陶瓷电容器工作电压V必须满足下表：4.陶瓷电容器