钽电容器使用与可靠性有关系的计算

生产钽电容器的钽金属是一种稀有的高密度重金属,它具有奇怪的特性;在耐酸性上,它几乎不和任何腐蚀性极强的酸发生反应,因此,使用它生产的钽电容器的稳定性非常高,可以保持几十年性能不变.因此,在钽电容器诞生初期,它是专用的高可靠电容器.

另外,它又是一种非常容易氧化的金属.在室温就可以和氧发生简单的氧化反应.此现象基本违背了基本的化学规律;容易发生氧化反应的金属一般都不耐酸腐蚀,但是,钽金属是个个例. 因此,生产出的钽电容器就肯定具有非常特殊的性能. 高稳定性,长寿命,

高温性能优良.最高的容量体积比.当然,还有高成本和过于复杂的生产技术.

     在优点突出的前提下,钽电容器也具有要命的弱点,耐纹波性能与其它电容器相比较差,不能承受过高的反向电压.这与天才的

艺术家一样;在具有超凡才能的同时,还有远不如人的缺点......当然,如果使用方法和条件合适,钽电容器仍然具有最高的可靠性.这是它一至在高可靠电容器里使用成为首选的根本原因.

     钽电容器的这种两面性即被人诟病,也被人赞叹;它即可能是使用几十年后的仪器上仍然性能完好如初的器件,也可能因为其它因素在加电测试时就突然失效.

     实际上,钽电容器的优点可以通过合适的使用和设计完全发挥出来,前提是我们使用者必须对它的优缺点有足够的了解,在选择类型和设计电路时把问题消灭在萌芽状态.

    我经常见到很多院所在进行电子整机的研发时,只是通过一下实际的加电测试,再通过各种条件下的负载实验就可以定型,但等到大批生产时,问题频出.到出问题时,只是对某些过程细节进行查找,但没有对系统的设计可靠性进行客观评估. 以事实为基础的开发验证无可非议,但一个合理的设计不光需要小批次的实际验证,更应该可以通过科学计算验证. 因为一个设计可靠性不够的电路是有可能通过小批的实验验证的,但到大批生产时就会不断出现问题.此问题的预防方法只能有一个; 能够通过可靠性计算的设计+实际实验验证的设计.从更科学的角度看,我们显然忽略了设计的可靠性计算验证.

      我们必须认识到;可靠性首先应该是设计出来的而不是别的.而设计的可靠性如何,必须同时能够通过可靠性计算验证和实际的整机负载实验验证.

      当经验能够使用数学来验证时,这个经验才能够称为科学.否则,仅仅是带模糊性质的经验.对于片式钽电容器来说,它的使用可靠性是完全可以事先计算出来的.不能等实验时问题频繁,才倒回去查找设计的问题.这是缘木求鱼的欠科学行为.

     使用在电子电路中的钽电容器在不同使用条件下的可靠性计算见下面的具体说明.只要把这些都顾及的足够,整机的可靠性关于电容器部分的可靠性就可以保证了.对于电子整机,最容易失效的部分就是电源部分,对于电源部分,最容易失效的元件就是电容器,解决了电容器的失效问题,基本上就可以把整机的可靠性设计提高到一个较高的水平.

     以下的说明会告诉钽电容器使用者,如果遵守以下条件去使用,您的电路里的钽电容器的可靠性和您设计的设备的可靠性将可以达到很高的标准;

1.整机系统可靠性和子系统的可靠性计算[基础]

       不同种类的电子整机的可靠性设计因为用途而差别很大,例如个人用的IT产品,一般可以保证在3年内不出现大的问题,质量反映较好的N0KIA个人产品,实际上是由于可靠性标准就制定的较高,所以才会出现比较耐用的印象.而一些高可靠的电子设备,由于工作环境的变化范围很大,因此,在设计可靠性时,必须考虑鲁棒性[即应付意外条件变化的能力]如何.因此,不同用途的电子产品的可靠性设计取决于它的使用条件和使用环境限制.我们不能要求把一个工作在室内的个人IT产品的可靠性等级提高到几十年,这是一种浪费.同样,你不能把飞机的可靠性设计到个人用IT产品的水平.这是犯罪.但是,一部电子设备的可靠性首先是设计出来的,绝不是简单生产决定的.因此,整机的可靠性设计,必须有明确的可以量化的足够完善的参数指标.具体的标准实际上是各家公司或用户的协议指标.基本没有可以遵循的固定值.

      但是,电子整机的可靠性是建立在电路设计可靠性和过程控制水平之上的.因此,整机的可靠性又可以分解为许多个具体的标准.

对于使用钽电容器的电子整机,由于其元件的可靠性是可以计算出来的,因此,分电路的可靠性就可以计算出来.值得注意的是,整机的可靠性必须以可靠性最低的电路或元件的可靠性为基准. 整机的可靠性如果可以事先量化,那么就可以通过适当的计算来提高可靠性最低的部分的可靠性设计等级.

      2.不同使用温度下的可靠性计算.

      钽电容器漏电流随温度的增加而增加。工作在 85℃和 125℃之间，最大工作电压Vmax必须降额，合适的降额幅度可以从

下面的公式中求得：

Vmax=( 1-(T-85)/125)×VR

 这里：  T 是要求的工作温度

VR是额定电压

值得注意的是上述公式只适用于高阻抗的放电电路. 同时,上述公式并没有考虑交流分量和浪涌的影响,因此当使用温度较高时,必须使用更大的降额电压才能稳定可靠地工作.

3.不同使用电压下的可靠性计算.

     固体钽电容器的可靠性受环境条件的影响很大。例如：温度、湿度、冲击、振动、机械应力和电场强度，包括应用电压、波纹电流、瞬间电流和电压以及频率。 

     电子整机的可靠性是建立在电子元件的更高可靠性基础之上，因此，在使用选型前必须保证使用的元件的故障率高于整机故障率要求，固体钽电容器的现场故障率[MTBF]可以从下面的表达式中计算出来：

            MTBF=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10

     这里：

     MTBF：实际工作条件下的故障率

     最高容许使用温度T：85度

V：实际使用电压

λ0：额定负载下的故障率 (1% /1000h)

T0：实际使用温度

V0：额定电压

     测试条件：

温度： 85 ℃

 电压： 额定电压

Rs： 3Ω[要求的线路保护电阻]

上式说明在实际使用中过高的温度和使用电压对产品的可靠性影响非常大。在最高使用温度和工作电压限定的条件下，应该尽可能选择额定电压更高的产品故障率才可以达到要求。

4.滤波电路中的可靠性计算.

      如果在电容器上施加波纹电流，在电容器内会产生焦耳热（功率损耗），因此纹波电流大小会影响电容器的可靠性。

(1)   功率损耗

电容器通过交流纹波时产生的实际功率损耗可以利用下面的公式计算：

  P=I2 × ESR……………….公式 1

这里：

P:    功率损耗 (瓦特)

I:     波纹电流 (安培)

ESR:  等效串联电阻 (Ω)

        各壳号产品由于体积不同而散热能力不同,因此,维持热平衡的容许通过的交流纹波产生的最大发热功率见下表1;

          表 1  容许的最大功率损耗

       (2)   波纹电流

利用表1中的最大功率损耗，可以利用下面的公式计算最大波纹电流(Arms)：

           ………………….公式 2

这里：还需要考虑到电容器此时的实际使用温度,不同使用温度下的温度降额因子见下表;

          K：      温度降额因子….表 2

          F：      频率降额因子……表 3

          ESR：  直流串联电阻参考额定值

 表 2:  温度降额因子K

 另外不容忽视的是在滤波电路中使用时,还必须考虑到实际的工作频率是多少,不同工作频率下的降额幅度也会不一样. 

波纹电压E利用公式3计算：.

                E=Z×I………………………….. 公式 3

这里：

           E：      波纹电压

           Z：     具体频率下的阻抗

       从上面的计算可以看出,工作在不同工作频率下的电容器,由于阻抗一定,因此,可以安全承受的交流纹波值是不一样的.如果电路中的交流纹波值超过该电容器容许的可以安全承受的范围,该电容器会在工作一段时间后,由于产生的热量累积超过散热能力而出现热击穿现象.

4.不同使用功率下放电电路中的可靠性计算

         如果电路电容器的容量可以决定电路的最大瞬时放电功率,在功率要求一定时,可以依据下面的计算来选择电容器的额定电压和容量大小;正常工作时的输入功率为P，储能电容的容量为C，其两端的电压为U1，则电容储存的能量为

            W1=C（U1²）/2，

当输入电源掉电后，经过时间t, 电容两端的电压为U2，此时电容剩余的能量为

            W2=C（U2²）/2， 

在这一过程中储能电容释放的能量

            W=W1-W2=C（U1²-U2²）/2，

它应该等于电路维持正常工作所需的能量

             W=Pt,   （即输入功率乘以时间）

所以有

             C（U1²-U2²）/2=Pt，

由此就可以得到电路维持时间t所需的最小电容量为

             C=2Pt/（U1²-U2²）.

在实际应用中，U2是电路能够正常工作的最低输入电压.

 举例：

若电路正常工作时的输入电压为28V（U1），输入功率为30W（P），能够正常工作的最低输入电压为18V（U2），要

求输入电源掉电50毫秒（t）时电路仍然能够工作，则所需储能电容的最小的电容量为

C=2 Pt/（U1²-U2²）

 =2*30*50/（28²-18²）

=3000/（784-324）

=6.522mF=6522mF

 一个使用在电源电路前端的储能电容器，输入电压是50V，当短电后，电容器开始为后续电路提供能量， 在提供能量

75W时，必须保持电压不低于18V，请计算需要的电容量。

此电路还需要一个准确的回路电阻。回路电阻大小决定需要的电容器的容量大小。

此电路中各参数性能的换算公式如下；

C=R*PT*T/U1-U2

式中；

C；需要的电容量

R；回路总电阻

PT；回路需要保持的功率

T；回路功率保持时间

U1；输入电压

U2；能够保持一定功率和放电时间的电压

      当电容器使用在放电电路里时,电容器可以承受的最大直流放电电流I;

       I=UR/（1+ESR）

      使用在大功率的放电电路,必须选择实际耐压更好,ESR更低的电容器可靠性才会最高.

7.不同工作频率下的可靠性计算.

        在所有电容器中都有电阻损耗。包括元件内部的电阻和接触电阻、介质电阻和回路电阻。 为了表示这些损失的影响，将它们称为电容器的等效串联 ESR。. ESR 与频率有关，可以利用下面的关系得到：

ESR= tgδ/2πfC

 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： 20℃ 和 100KHz.

由于不同频率下工作时电容器的ESR有变大或变小的趋势, 而ESR的变化又会直接导致电容器在滤波时的发热量不一样,因此,在工作频率有变化较大时,电容器的可靠性会出现变化.此点也是必须考虑的要素之一.在频率一定时我们依据上面的公式可以计算出电容器可以保持的容量和实际阻抗是多少.这样,我们就可以根据已经知道的电容器基本性能[容量和阻抗大小],计算出电容器合适的使用频率极限是多少.换句话,就可以知道在某个频率下电容器的实际容量能否满足滤波性能要求.

8.使用在滤波电路中电容器最大的输出电流计算方法;

    8.1.电容降压半波整流电路

　　电容降压电源采用半波整流时,每微法电容可得到电流(平均值)为:(国际标准单位)

　　I(AV) = 0.44*V/Zc = 0.44*220*2*Pi*f*C = 0.44*220*2*3.14*50*C = 30000C

　　= 30000*0.000001 = 0.03A = 30mA

     8.2.如果采用桥式整流则可得到双倍的电流(平均值)为:

　　I(AV) = 0.89*V/Zc = 0.89*220*2*Pi*f*C = 0.89*220*2*3.14*50*C = 60000C

　　= 60000*0.000001 = 0.06A = 60mA

          　　　使用电容降压桥式整流电路时,需要注意以下事项:

　　1、未和220V交流高压隔离,请注意安全,严防触电!

　　2、限流电容须接于火线,耐压要足够大(大于400V),并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻.

　　3、注意稳压二极管功耗,严禁稳压二极管断开运行

以上计算方法是使用电容器,设计时必须掌握的基本知识