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固体钽电容器和铌电容器的电压降载法
作者:AVX捷克有限公司 T. Zednicek
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多年以来,当人们向钽电容器制造商问及有关其产品使用的基本原则时,建议总是 “至少施加 50%的电压减载”。 该法则已经成为大多数钽品技术的主导设计原则。 本文再次对该论点进行研讨,并对在应用中为什么不需要这样做予以与解释。

介绍

传统的钽电容器使用固体二氧化锰(MnO2)作为负极,由于其自身具有的自愈特点,所以表现出稳定的状态可靠性 [1], [2], [3], [4]。 钽和铝电解质电容器的时段故障率对比在下图1显示。

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图1. 在不同时段内钽和铝电容器的故障率

该自愈合过程是钽电容器稳定状态可靠特征的重要因素,并被称为“无消耗作用过程”。

一个自愈反应主要是基于热诱导导电 MnO2 二氧化锰负极氧化,从而转化为 Mn2O3 –具有更高电阻的锰氧化物 。整个反应过程为:

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如在钽电极的介质层表面存在着比临近区域薄的介质层,则较大比例的电容器电流(充电,漏电等)就会流到该区域(见图2)。当疵点处的温度上升时,以上反应[1]就会发生,将电阻为(1 - 10) Ohm/cm2的二氧化锰(MnO2),转化成较低导电的结构 (Mn2O3),其电阻在 (106 - 107) Ohm/ cm2 之间。因此导电处被有效地“栓塞”住或被“盖住”,如图3所示,然后错误电流消除。

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图2. 显示自愈系统的截面图

所产生的氧可被任何低价钽氧化物吸收,如被存在于介质层中的TaO2, 或任何存在于负极层中的 MnO所吸收,而不是被钽五氧化物 (Ta2O5)吸收 。进一步自愈细节,见[2]。

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图3. 自愈合过程后的介质层中的故障处

自愈合反应 [1]适用于存在电流有限的情况。如在高浪涌而低阻抗的应用条件下,介质层的击穿过程要比自愈作用过程快,则会导致硬(强)短路和全面的热击穿。因此防止电容器受到超过其设计能力的浪涌显得十分重要。

浪涌电流

钽电容器生产商已采用强(硬)浪涌预老化测试以检查电容器 单件在恶性浪涌条件下的性能。然而对于狼涌筛选并没有统一的工业标准定义,每个钽电容器生产商根据其设计特点采用适用的浪涌老化试验。以下仅讨论AVX公司的筛选方法。

AVX 已经研发出高效的筛选测试,100%适用于所有产品。-参考电路图见下图(图4) 。

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图4. 浪涌测试电路电路图

所有的电容器都经过一次或一次以上的电流浪涌:

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Ip = 电流峰值
VR = 电容器额定电压
C = 电容器的电容量
R = 测试电路总串联电阻
ESR = 测试下的电容器ESR值

测试电路总串联电阻包括所有的寄生因素,如接触电阻,终端电阻和 FET 电阻等。对于标准产品,总串联电阻最大为 1Ohm ;对于低ESR串联则最大电阻为0.7Ohms (0.45Ohms 特别串联) 。随着新一带测试设备的研发,这些 100% 测试值将会继续被减小。

一种高效的监控系统被应用于检查测试浪涌电流。在第一阶段,保证每个电容器受到其特定降比规定的最小浪涌电流。如电流浪涌未达到该检验水平,则测试电容器被剔除。第二水平则是检验测试后漏电电流是否减弱到预定水平。如DCL电流超过定义故障水平,则测试电容器被剔除。图5 显示浪涌测试循环。

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图5. 高效监控浪潮涌电流

电流经过电容器

由两个因素定义通过电路中的电容器最大浪涌电流(瞬间)。

a] 电源供应输出和
b] Ohm’s 律

a] 电源供应输出

在电源接通 (充电,瞬间)期间流过电容器的形成电流依赖于电源供应:

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C = 电容器的电容量
dV/dt = 电压梯度(电源供应攀升到电压有多快)

b] Ohm’s 律

I = V/R (4)

V 是施加电压, R 是电路的总电阻力。

通过电容器的实际电流由公式 [3]和 [4]计算得出的最小值定义

典型应用

以下为两种典型的电路形态:

例 1.

第一种情况如图6.所示 。简易的稳定电源供应电路,由电源(电池),二级管,电磁圈,(100nH)和电容器组成。

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图6. 例1的典型应用 – 简单电源

在无限制电源供应情况下,通过电路的电流只能由欧姆律来定义;例如:[3] 中的电流要远高于 [4] 。

最大电流的计算范例:

Vbat = 3.2V (2 节电池)

电容器 = 220uF 6.3V 低 ESR, 浪涌(大电流)钽电容器。100mΩ, 6.3V 电容器被按照50%“减载主导原则”选择,例如 6.3V 电容器被用于 3.2V o/p 。

电路单元的常用电阻:

Zbat = 60mΩ, Zdiode = 70mΩ, ZL(100kHz) = 70mΩ, Zcap = ESR(100kHz) = 100mΩ

因此,通过电容器最大的电流基于 [4]为:

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D (壳体)规格 220uF 6.3V 100mΩ 是按照 [2] (R=0.7 耐浪涌串联)来进行 设计和测试浪涌峰值,

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根据公式 [5]的应用浪涌电流比应用于电容器老化的 [6] 的电路峰值要高。

50% 降载率在本情况下不能充分防止电容器的过载。需用应用更高的降载水平 (例如:额定电压为10v 的电容器) 。

例 2.

考虑以下电路:

在本例中,钽电容器 (C2) 适用于一个 DC/DC 整流器的输出– 见图 7。

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图7. 常用应用范例 2 – DC/DC 整流器

DC/DC 整流器控制瞬间送电减压/增压顺序(电路)在本情况下,通过电容器 C2 的最大电流为 ~1A 最大。 因此通过电容器 C2 的浪涌电流被认为是在电容器容量范围之内。

降载因素低至 20% 的钽电容器可被应用于此。

软-启动电路

当钽电容器必须被使用于低阻抗应用时,可选择使用软-启动电路,从而消除瞬间浪涌电流载荷-如发生在例1的情形。典型的软-启动电路图如下图8 所示。

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图8. 简单的软 –启动电路示意图

FET 晶体管加一个小电容器和两个电阻可以遏制瞬间效应。这提供了一个低成本的方法,通过减少所有的电路元件的瞬载,能保证电路的长期可靠操作 - 不仅限于钽电容器。更多细节包括该软启动元件的计算可在参考资料 [11] 中查到。

对降载敏感的参数

对降载水平(应用电压和电容器的额定电压之比) 敏感的参数有3个: 稳定状态故障率, 动态故障率(浪涌电流电阻 / 低外围电阻)和应用电压的 DCL。

1] 稳定状态故障率

在稳定状态下,对钽电容器的使用寿命可靠性的影响因素有3个。故障率计算公式如下:

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其中 FU 是由于工作电压/电压降载的修正因素
FT 是由于作业温度的修正因素
FR 是由于电路串联电阻的修正因素
FB 是 基本故障率水平

作业电压/电压降载 – FU 因素

如使用额定电压比最高线路电压的电容器,将会提高作业稳定性。具体细节见参考[5]。

降载对故障模式的影响:

作业条件: 85°C, 5V, 0.1 Ohm/V 串联电阻.

例 1 – 6.3V 钽电容器

稳定因素基于例 [5]:

FU = 0.12, FT=1, FR=1, FB=1%/1000hrs

等式[7]故障率:

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根据MTBF 定义:

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例 2 – 10V 钽电容器

稳定因素基于参考[5]:

FU = 0.007, FT=1, FR=1, FB=1%/1000hrs

等式[7]故障率:

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总之, 在5V电器轨道上使用10V电容器而不是使用 6.3V 时,本例的 MTBF会因17因素而提高。

2] 大故障率 (浪涌电流/大电流)

防止低阻抗电路中的不规则电流浪涌,是考虑到钽电容器适当卸载时的最重要的因素。应用中最恶劣的电流浪涌情况不应超过根据等式[2] 的电容器的设计和筛选电流。见以上段落。

3] DCL –应用中的漏电电流

当使用减低电压时,漏电电流迅速地下降到低于与额定电压对应的值。

例如: 10V 电容器应用于不同的作业电压的典型 DCL - 见下表8。

表8. 作业电压对10V电容器的DCL 的影响
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如使用50%降载率时, DCL 值可以被典型地降到低一级的值。 – 见参考 [6].

铌基电容器

新型号的铌基电容器最近被投放市场。其技术工艺与钽电容器非常相似,但铌粉代替了钽电极材料。不象钽粉只能应用其金属形式,用两种钽基材料可以被应用于电极– Nb(金属)和铌氧化物。基于特点的相似性,本文所提到的所有降载原则都适用于铌金属电容器。 然而铌氧化物制成的电容器,其故障模式对应用电压的依赖性较低,对降载的要求也不一样。关于铌电容器的进一步细节,详见参考资料 [7], [8], [9], [10] 。

铌氧化物电容器的降载

铌氧化物电容器的点燃能级和比钽和铌金属高两级,比热为钽铌金属电容器的2倍 - 见图9 和10:

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图 9,10. 铌氧NbO, Ta坦和 Nb 铌金属粉的燃烧率,点燃能量和比热对比图表。

注释:比热为一体积单位加热1K(1mole)所需要的能量。

低(价)氧化物为造成这些电容器具有高电阻介质层击穿故障模式的原因。当主介质层(Nb2O5) 被电流或超压击穿或热-机械性击穿时(例如在经过回流过程时产生的过热),铌氧 NbO 电容器不会象它他技术制造的电容器一样发生短路故障,其电阻反倒增加到高电阻,典型为34kOhm。

电容器仍能够维持其电功能,端尾装置仍能保持运行。因此可以说在范围电压内,NBO 铌氧电容器不会燃烧。细节见12], 7], 8]。 加之在介质层内的电应力较低(在每施加1伏特条件下所产生的Nb2O5 介质层在Ta2O5 介质层更厚,所以在给定电压额定下,作业在较低较低场力), 因此可以进行高波动电流加载,在在低电抗电路内的减压降载要求也较低。

因此 20% 的最低降载率适合所有应用;例如:4V 电容器可以安全地应用于3.3v 电轨; 6.3v 额定电容器应用于5.5v 电轨。

降载软件

一种软件已经被开发出,简化了降载指导的计算. 这可以帮助设计员在钽和铌电容器的定义规格内将电路设计最优化。

输入窗口:

1. 应用电压(工作)
2. 电路电阻 (电容器的 ESR除外)
3. 选择 – 电源的 dI/dt; dV/dt串联和部件细节。

软件根据输入参数计算电流浪涌。例如在内置或外围电容器数据库内,等式 [3] 和等式 [4]与 [2]被一起计算。

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图11.降载软件的输入窗口

软件随即将符合设计要求的现存的参数比例显示出:设计和筛选电流 [2] 大于或等于应用最大电流 (低值 [3] 的 [4]较低值)。

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图12. 降载软件的输入屏幕

一旦软件制成现有的 “安全“ 电容器表后,则可计算每个电容器的更多应用数据。当一个特定部件被选取后,输出区域 则作出显示:

1. 规格 (Cap/电容量, ESR, DCL, DF, Case/壳体 & 尺寸)
2. 应用电压的DCL。
3. 持续最大波动电流和电压。
4. 故障率, FIT 和 MTBF
5. 以上2,3,4参数在 –55, 25, 85, 125°C 温阶温度效应。

软件基于应用条件,选择被认为对设计是“安全”的元件。给定的额外数据对其它应用要求的电容器最优化选择也会有帮助。

结论

• 对钽和铌电容器应该进行降载,以防止由于超过有效电流而造成的故障。
• 在其电压为额定电压的 80% 条件下,钽电容器可被安全使用,但会产生较低的MTBF和较高的漏电电流。
• 如钽电容器必须经过段低阻抗源时,要考虑加进一个PFET 积分器以降低故障危险。
• 对于 OxiCapTM NbO 电容器,在大多数情况下,20%的降载率即够用。
• Select–a–Cap software 软件可以帮助确认正确部件号包括在给定应用中的常用参数。

参考资料
1. P.Vasina & col., “Failure modes of tantalum capacitors made by different technologies”, CARTS USA 2001 Florida “采用不同技术制造的钽电容器的失败模式”
2. J.Gill, “Surge in solid tantalum capacitors”, AVX technical paper, www.avxcorp.com“固体钽电容器的浪涌”
3. J.D.Prymak, “Replacing MnO2 with conductive polymer in tantalum capacitors,” Kemet Corp. CARTS EUROPE 1999 Lisbon Portugal, pp. 169-173“使用导电聚合物替换钽电容器的MnO2”
4. N. Klein, “Electrical breakdown in thin dielectric films,” J. Electrochem. Soc., Solid State Science, 116, 963 (1969)“薄介质膜的电击穿”
5. AVX Surface Mount Tantalum Catalogue, Pg 45, www.avxcorp.com “表面安装钽品样本”
6. R.W.Franklin, “An Exploration of Leakage Current”, AVX technical paper, www.avxcorp.com “漏电电流的探讨”
7. T.Zednicek & col., “Niobium Oxide Technology Roadmap”, CARTS EUROPE 2002 Nice, France, proceeding“铌氧化物技术指南”
8. T.Zednicek & col., “Tantalum and Niobium Technology Overview”, CARTS EUROPE 2002 Nice, France, proceeding“钽和铌品技术纵览”
9. Y.Pozdeev-Freeman & col.,”Niobium Based Solid Electrolytic Capacitors”, CARTS USA 2002, New Orleans, Louisiana, USA, proceeding“铌基固体电解质电容器”
10. H.Zillgen & col., “New Niobium Capacitors with Stable Electrical Parameters”, CARTS USA 2002, New Orleans, Louisiana, USA, proceeding“带稳定电参数的新型铌电容器”
11. D.Mattingly, “Increasing Reliability of SMD Tantalum Capacitors in Low Impedance Capacitors”, AVX technical paper, www.avxcorp.com “低阻抗电容器中的SMD钽电容器的稳定性增加”
12. J.Sikula & col., “Conductivity Mechanism and Breakdown Characteristics of Niobium Oxide Capacitors” CARTS Europe 2003, Stuttgart, Proceeding“铌氧化物电容器的电导作用原理和击穿特征”(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/24/2010)
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网址: http://www.avx.com 电话:864--967-2150
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