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钽电容的可靠性和故障率

一、稳态

钽和氧化铌电容器的介质本质上没有磨损机制,在一定条件下具有有限的自愈能力。但是,在工作中可能出现随机的故障。钽电容器的故障率随时间而减少,不像其它电解电容器和电子原件那样故障率随时间而增加。

 

钽和氧化铌电容器在稳态条件下的使用可靠性受三个因素的影响。从这些因素中可以得出计算可靠性的等式:

F = FV x FT x FR x FB

这里      FV =工作电压/降额电压修正因子

              FT =工作温度修正因子

              FR =电路串联电阻修正因子

              FB =基本故障率水平

 

基本故障率

标准钽电容器符合M级可靠性(也就是1%/1000小时)或更好,额定电压、85℃和0.1Ω/V电路阻抗。

FB =1.0%/1000小时为TAJ, TPS, TAC, TPM, TAW 和TCJ系列产品

  =0.5%/1000小时为TRJ, THJ 和NOJ系列产品

  =0.2%/1000小时为NOS 和NOM系列产品

TLJ 和TLC系列钽电容器85°C温度降额时,规定为额定电压的50%。

FB = 0.2%/1000小时,85℃、50%额定电压、0.1Ω/V 串联阻抗,60%可信水平。

 

工作电压/降额电压

如果在使用中,电容器的额定电压大于电路的最大电压,那么工作可靠性将会得到改善。这种做法叫做电压降额。

图2中的图标显示,降额电压(使用电压与额定电压之比)与故障率之间的关系。该图给出了任何工作电压的修正因子FU

 

 

 

 

 

 

工作温度

如果工作温度低于电容器的额定温度,那么工作可靠性会得到改善,如图3所示。该图给出了任何工作温度的修正因子。

 

 

 

电路阻抗

所有固体钽和/ 或氧化铌电容器需要有限流电阻,以保护介质避免浪涌电流的伤害。为此目的,建议采用串联电阻。低阻抗电路使故障率增加,尤其是在温度大于20℃时。低感抗电路对电容器产生浪涌电压,同样地,非感抗电路对电容器产生浪涌电流,使电容器产生局部过热和故障。推荐的阻抗是1Ω/V。如果这样做不可行,要采用等效的降额电压(见MIL HANDBOOK 217E)。图4介绍了增加串联电阻后的修正因子FR

 

 

计算举例

考虑一个12V电源电路,设计者需要一个10μF的电容器在靠近视频宽带放大器处,作去耦电容器用,因此,电路阻抗只受电路板电源输出阻抗和导轨电阻的限制。我们假定大约最小为2Ω,也就是说0.167Ω/V。额定的工作温度为-25°Cto +85°C。

如果在设计中采用10μF 16V的电容器,工作故障率如下:

a) FT = 1.0 @ 85°C

b) FR = 0.85 @ 0.167Ω/V

c) FV = 0.08 @使用电压/额定电压 = 75%

d) FB = 1%/1000小时,基本故障率水平

因此,F = 1.0 x 0.85 x 0.08 x 1 = 0.068%/1000 小时

如果改用20V的电容器,工作故障率变为:

FV = 0.018 @使用电压/额定电压= 60%

F = 1.0 x 0.85 x 0.018 x 1 = 0.0153%/1000小时

 

 

二、动态

固体钽电容器对浪涌电压和浪涌电流的承受能力是有限的。因此,浪涌电流知道对两个参数进行控制,以减少故障率,它们是降额电压和串联电阻。

下面的表总结了AVX用一个设备试验的结果,非常小的串联电阻、不采用降额电压,电容器在额定电压下进行测试。对钽电容器进行了测试,但是,结论对钽电容器和氧化铌电容器是同样有效的。

正如在试验中可以清楚地看到的,用户使用的降额越大,可能出现的浪涌故障就越少。

    必须记住,这些结果来自高加速浪涌测试设备,在终端用户处出现的故障率是低ppm(非常低)的。

一个普遍的误解是,从钽电容器的漏电流,可以预测浪涌筛选中故障率的数量,可以通过AVX对不同漏电流的47μF10V片钽做的试验来反驳。试验的结果总计在下面的表中。

 

漏电流与浪涌故障数

再次强调,要记住,该结果是用高加速浪涌测试设备做试验得到的,在终端用户处出现的故障率是低ppm(非常低)的。

比起钽电容器来,氧化铌电容器对过载应力的敏感性要低些,所以,建议采用最小20%降额电压。在有瞬时“开关”电流的极低阻抗电路中,要进一步降额。因此,在一般情况下,一个低电压氧化铌电容器,与钽电容器相比,可以用在较高电压电路中——见下面的表。

 

 

有关钽电容器的浪涌参数,更多的资料请参考AVX网站上J.A. Gill的论文“固体钽电容器中的浪涌”。

 

在应用电路中,增加降额,更多的好处是改善了电容器承受浪涌条件的能力,稳态可靠性能力可以改善一个数量级。举一个将6.3V电容器用在5V电路中的例子。

 

钽电容器的稳态可靠性受三个因素的影响:温度、串联电阻和降额电压。假定工作温度是40℃,串联电阻是0.1Ω/V,

 

因此,电容器的可靠性是:

        故障率=FU x FT x FR x 1%/1000小时

= 0.15 x 0.1 x 1 x 1%/1000小时

= 0.015%/1000 小时

如果用10V的电容器代替,新的比例因子为0.006,因此,稳态可靠性是:

故障率=FU x FT x FR x 1%/1000小时

= 0.006 x 0.1 x 1 x 1%/1000小时

=6×10-4%/1000 小时

 

因此,电容器的稳态可靠性有一个数量级的改善。

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