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1、钽电容器设计指南 发布前 言本指南规定了电源类产品在设计生产中选择及使用钽电解电容时的基本原则、技术要求及注意事项。本指南起草单位：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX本指南主要起草人：本指南主要审查人：本指南批准人：目 录1范围42规范性引用文件43概述43.1.钽电容器的简要说明43.2.符号说明54术语定义54.1.容量54.2.电压64.3.损耗因子和损耗角正切(tg)74.4.阻抗(Z)和等效串联电阻(ESR)74.5.D.C.漏电流75选择时应注意的基本要求85.1.固体电解质钽电容应考虑的主要因素85.2.非固体电解质钽电容器应考虑的主要因素95.3.不同电路类型对钽电容器类
2、型的选择使用要求105.4.对使用容量的选择要求106使用时应注意的基本要求116.1.固体电解质钽电容（主要以片式钽电容为例）116.2.非固体电解质钽电容器177钽电容器使用方式不同时电容器参数变化规律说明208钽电容器的故障率计算219保护电路与可靠性设计2110关于钽电容器的一些问题及解决方案2210.1.液体钽电容器的漏液问题2210.2.液体钽电容器的耐反向电压问题2210.3.固钽“不断击穿”又“不断自愈”的问题2210.4.固钽有“热致失效”问题2310.5.固钽有“场致失效”问题2310.6.解决方案2310.7.ESR和波纹电流之间的关系以及波纹电流对电路设计者的重要性23
3、10.8.钽电容器的保存限期2411钽电容选用及使用总结2411.1.电压及纹波特性2411.2.使用环境温度2411.3.频率特性2511.4.可靠性2512供应商25钽电容的选用和使用指南1 概述3.1. 钽电容器的简要说明钽电容器目前仍然是一种体积容量比较高的电荷能量储存元件，它能够储存的电能量高低取决于介质的厚度和面积。它的介质层的介电能力可以达到120KV/mm。它相对的介电常数为2710-12法拉/米。因此钽电容器可以在很薄的介质层内承受极高的场强，这是它体积容量比较高的根本原因。它可以储存的电容量C与介质层的厚度d及介质层的面积A之间的关系如下：公式C=（0rA）/d这里：0是真
4、空中的介质常数（8.85510-12法拉/米）r是五氧化二钽的相对介质常数：2710-12法拉/米d是金属中电介质的厚度，单位是米C是电容量，单位法拉A是表面积，单位是米2钽电容器能够储能是因为其介质层五氧化二钽具有允许交流电通过，阻止直流电通过的单向导电性。因此它属于极性电容器，使用和测试时必须特别注意它与叠层陶瓷电容器的区别。3.2. 符号说明CA：国家标准中规定的钽电容器英文表示；UR：电容器的额定工作电压，单位是伏特（V）；UC：电容器在125时的最高工作电压，也叫降额电压，单位伏特（V）；US: 电容器可以在85时的实验的浪涌电压，单位是伏特（V）；CR：电容器的标称电容量，单位微法
5、（F）；ESR：电容器在100KHz测试时的等效串联电阻，单位是欧姆（）；I0：电容器在室温时的漏电流，单位是微安（A）；Irms：电容器在规定的频率下能够承受的最大交流纹波电流，单位是（mA）；tg：电容器室温时的损耗角正切，单位是%。2 术语定义4.1. 容量4.1.1. 标称容量(CR)这是标称的额定容量。测试条件为：测试频率：100Hz5Hz，测量准确度：电容量允许偏差为10%、20%的电容器其测量准确度应在测量值的2%之内；电容量允许偏差为5%的电容器，其测量准确度应在测量值的0.5%之内；极化电压：若详细规范无其他规定，在进行所有交流测量时，最大直流偏压应为2.2V，交流电压不大于
6、1.0V。4.1.2. 容量误差这是容量的实际值和额定值之间可允许的偏差在5%30%用符号表示：J：5%、K：10%、M：20%。4.2. 电压4.2.1. 额定直流电压(UR)这是在使用温度低于85，串联电阻3欧姆/伏特时可以使用的最高直流电压，用UR表示。4.2.2. 降额（类别）电压(UC)这是可以连续加到电容器上的最高电压，是可以安全使用的电压。当超过85要线性降额，请使用额定电压的1/3以下进行降额，或按照GJB/Z 35-1993执行。注：建议使用钽电容器时，降额尽量都以额定电压的1/3作为最低降额4.2.3. 浪涌电压(US)这是在短时间内可以加到电容器上的最高电压，有时候指开关
7、电源电路开断时瞬间产生的冲击电压。在电路中最小要串联330的电阻 (CECC规定1K)，浪涌电压在一小时内最多可以加10次，每次30秒。浪涌电压不能作为参数用在电路设计中。电容器额定电压与浪涌电压在不同温度时的比较见表1。表1 电容器额定电压与浪涌电压在不同温度时的比较85125额定电压(Vdc)浪涌电压(Vdc)降额电压(Vdc)浪涌电压(Vdc)45.22.73.26.38.24.25.01013.06.78.01620.810.712.82026.013.316.02532.516.720.03545.523.328.05065.033.340.04.2.4. 波纹电压添加交流电压(Vr
8、.m.s)这是电路中残存的交流电压，添加到直流电压上最大的交流电压，它可能施加到电容器上。直流偏置电压和纹波电压峰值之和不能大于允许的额定电压。4.2.5. 形成（赋能）电压这是阳极赋能电压。氧化层介质的厚度与电容器的赋能电压成比例，这是建立额定电压的要素。4.3. 损耗因子和损耗角正切(tg)4.3.1. 损耗因子(D.F)损耗因子是损耗角正切(tg)的度量，以百分比表示。温度和频率对DF值有影响。4.3.2. 损耗角正切(tg)电容器在工作状态时，本身电阻消耗的能量和总的输入能量之间的百分比。这是在电容器中能量损失的度量，以tg表示。tg的测试方法是：100Hz，U_=2.20-1.0V，
9、U=1.00-0.5V（有效值）；对于CAK35H型、全钽电容器的测试条件为：100Hz，U_=2.2V或10%UR，（取大者，偏差-1.0V），U=1.00-0.5V（有效值）。4.4. 阻抗(Z)和等效串联电阻(ESR)4.4.1. 阻抗Z这是在具体频率下电压对电流的比率。有三个因素对阻抗有影响，半导体层的电阻、电容量和电极和引线的电感。 在高频情况下，引线电感变为限制因素。这三个阻抗因素的温度和频率特性决定了阻抗Z的特性。阻抗Z的测试条件是：100KHz，-55。4.4.2. 等效串联电阻 ESR.在所有电容器中都有的电阻损耗。这有几个不同的机制构成，包括元件内部的电阻和接触电阻、介质内
10、部的粘滞力和旁路电流通道造成的缺陷。为了表示这些损失的影响，将它们称为电容器的ESR。ESR与频率有关，可以利用下面的关系得到： ESR=tg/2fC这里：f是频率，单位是Hz；C是电容器的容量，单位为法拉；ESR测试条件是： 100KHz5KHz，U_=2.20-1.0V，U=1.00-0.5V（有效值）。4.5. D.C.漏电流4.5.1. 漏电流电容器在特定温度和额定电压下存在的直流漏导电流。它是在额定电压下，在25时测试的。在测试电路中要串联一个1000的电阻，施加额定电压后3-5分钟，漏电流不得超过给定的数据。该数据是根据公式0.01CUR或0.5A(取大者)得到的。4.5.2. 波
11、纹电流直流电路中残存的交流电流。允许的最大波纹电流是从给定温度上升到超过周围环境温度时的功率损耗极限值得出的。3 选择时应注意的基本要求5.1. 固体电解质钽电容应考虑的主要因素a) 适用性这类电容器用于旁路或滤波脉动交流成分和要求大容量场合，以及用于有强冲击和振动应力的场合，主要用作滤波、旁路、耦合、隔直流、能量存储以及其它低电压直流应用；b) 频率效应随工作或测试频率的增加，电容器容量逐渐降低,损耗逐渐增加；c) 环境温度必须选择在宽温范围内电容器容量和阻抗及漏电流变化最小的电容器；d) 直流漏电流直流漏电流随电容量的增大、外加电压的提高和温度的上升而增大；e) 电路板体积和安装面积要求高
12、集成、高频率电路可选用片式电容；在安装面积足够时,能够选择规格相同而壳号大一号的产品,就不要选择壳号更小的产品；f) 交流纹波电压必须考虑到直流耐压是否足够，同时考虑，不同电容器具有不同的耐纹波能力；g) 电压高低根据使用电压的高低充分考虑电容电压的降额；h) 串联应用当电容串联使用时，建议同时使用分压电阻，以防止电容组中一个或几个电容器可能承受的过电压；i) 并联应用由于固体电解质钽电容器的特殊失效机理，可在允许的情况下，在并联网络的每个回路中串联电阻；j) 电路可靠性要求考虑钽电容的失效模式：主要有开路或内部连接间断和介质短路；k) 综合因素很多时候,电路信号特点非常复杂。使用时可以要求电
13、容器厂家提供更为详细的技术服务，甚至可以要求厂家提供电容器必须通过的某项特殊实验。5.2. 非固体电解质钽电容器应考虑的主要因素a) 适用性电容器突出优点是单位体积电容量大，耐压高、漏电流小；这类电容器主要用于电源滤波，根据要求可单个或多个元件串联或串并联使用，但此类电容器是严格的极性元件，不能用做非极性连接。b) 频率效应随工作或测试频率的增加，电容器容量逐渐降低,损耗逐渐增加；c) 环境温度在-55时，电容量降减少15%65%，取决于额定电容量，而且低温时等效串联电阻迅速增加；重复的温度循环，容易导致电容器的电解液加速泄漏，为防止泄漏，需采用密封优良的电容器；d) 直流漏电流这类电容器的漏
14、电流很小，在室温和额定电压时大约为几个微安或更小，在最大额定温度时，漏电流约增加810倍；e) 交流纹波电压电容器可以使用在有交流分量的脉动电路中，交流电压峰值与直流电压之和不能大于额定直流工作电压，在交流频率为50Hz时，允许交流电压峰值Vrms占额定电压UR的最大百分值不得超过20%；f) 反向电压一般情况下电容器不允许有反向电压；g) 电路阻抗电容对浪涌电流不作特别限制，但向低阻抗重复放电，由于电荷积累，导致瞬时反向电压的产生，使元件失效，因此，要避免电容器在低阻抗放电的条件下工作；h) 低偏置电压一些非固体电解质钽电容器在低偏置电压（直流02.2V）下电容值和耗散因子会发生变化，使用时予以注意；i) 电路可靠性要求考虑钽电容的失效模式：主要有短路、开路、电容量漂移、漏液和漏电流增大。5.3. 不同电路类型对钽电容器类型的选择使用要求5.3.1. 开关电源电路滤波此类电路中由于存在较高的交流纹波，而液体钽电容器是不允许承受反向交流信号，因此，如果电路中的交流纹波值较高，请尽可能使用可耐有限纹波电压和纹波电流的固体钽电容器。5.3.2. 脉冲充放电电路如果需要的瞬时功率密度较高，工作温度范围在负
