電容降額

時間 2019-11-18

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電容器

與電阻同樣，電容存在穩態、瞬態兩種工做狀態。安全

電壓電流的瞬時變化波形脈寬≥1s，或者週期性的電壓/電流能夠視爲穩態工做狀態。穩態工做狀態下，存在某一點（區域）對應器件某項參數的最大應力，則能夠稱爲穩態條件下該項應力最壞狀況。測試

瞬態工做條件爲波形脈寬＜1s，且非週期性電壓/電流。spa

劃分環境溫度的穩態、瞬態依據：必定時間內（天），異常溫度（通常爲高溫）時長不超過整個時長的1%爲瞬態，反之則爲穩態工做環境。瞬態工做環境下，該區域中某一點對應器件某項參數的最大應力，稱爲瞬態條件下的該項應力最壞狀況。對穩態工做環境來講，則是穩態條件下該項應力最壞狀況。設計

非固體鋁電解電容接口

非固體鋁電解電容的封裝有插裝和貼片兩種，降額的要求相同。ip

參數ci	工做條件table	降額要求容器
環境溫度配置	穩態最壞	≤T_max-10℃
環境溫度配置	瞬態最壞	≤T_max
工做電壓	穩態最壞（持續工做）	額定電壓≤315V時，≤0.9*額定電壓
	穩態最壞（持續工做）	額定電壓＞315V時，≤0.95*額定電壓
	瞬態最壞（非週期浪涌）	額定電壓≤315V時，≤1.10*額定電壓（Peak）
	瞬態最壞（非週期浪涌）	額定電壓＞315V時，≤1.15*額定電壓（Peak）
反向電壓	穩態最壞	禁止施加持續的反向電壓
反向電壓	瞬態最壞	≤0.5V（peak）

紋波電流（I_rms）

電容器件在應用中的紋波電流能夠大於額定值，但不該超出安全應用區域。若是應用中電容的充放電電流超出安全應用區域，須要具體評估應用風險。在計算安全應用區域時，須要注意按照頻率係數，將紋波電流折算到額定紋波電流的相同頻率上。電容的安全應用區域定義以下圖所示：

壽命估計

通常來講，單板採用的電容使用壽命須要≥80%*單板設計壽命，以保證單板按照設計壽命正常工做。電容的壽命估計有如下兩種方法：

（1）芯溫法

將電容芯的核心溫度（T_core）做爲輸入條件，計算電容器壽命的方法。對於體積較大的焊片型（snap-in）和螺栓型（screw）高壓鋁電解電容，推薦採用芯溫法估算壽命。

（2）紋波電流法

將電容工做時的充放電電流和環境溫度做爲輸入條件，計算電容壽命的方法。對於體積較小的表貼型（v-chip）和引線型（radical）鋁電解電容，推薦採用紋波電流法估算壽命。

對於液態鋁電解電容，應根據實際應力條件估算應用壽命。壽命計算的基本理論模型是「10度法則」，即應用溫度每下降10℃，電容器的應用壽命翻倍。詳細的壽命估算方法能夠諮詢廠商獲取。

這裏對中高/低壓液體鋁電容的壽命估計公式進行簡單介紹：

中高壓液體鋁電容（＞100V）

L_x= L_o*2^{(To+δTo-Tcore)/10}*(U_r/U_x)^2.5，（當U_x＜0.8*U_r時，U_r/U_x按1.25計算）

低壓液體鋁電容（≤100V）

L_x= L_o*2^{(To+δTo-Tcore)/10}

公式中的符號含義以下：

L_o：標稱壽命，T_o：額定溫度，δT_o：標稱壽命定義條件下的電容溫升

U_r：額定電壓，U_x：實際應用電壓，T_x：電容工做環境溫度，低於40℃時按照40℃計算

T_core：應用條件下電容芯溫度，芯溫低於40℃時按照40℃計算

δT_x：紋波電流形成的電容芯溫升高。當處於天然散熱時，如下式估算：

δT_x = δT_o*(I_x/K_f/I_o)²，這其中參數爲：

K_f：紋波電流頻率因子，由ESR頻率特性決定，可參考datasheet獲取。

I_x：實際測量紋波電流的有效值，須要測量。

I_o：額定紋波電流，低阻抗低壓液體鋁電解電容通常定義100kHz時的額定紋波電流，其它類型液體鋁電容通常定義120Hz時的額定紋波電流，具體可參考datasheet。

固體電解電容

固體電解電容大致上能夠分爲鉭電容、插裝固體鋁電解電容、表貼固體鋁電解電容。

表貼固體鋁電解電容有兩種外形：塑封外形和圓柱形（v-chip）。塑封外形表貼固體鋁電容內部爲疊層結構，圓柱形（v-chip）表貼固體鋁電容內部爲卷繞結構。

鉭電容包括以MnO₂爲陰極材料的普通鉭電解電容、以導電聚合物Polymer爲陰極材料的Polymer鉭電解電容。

MnO₂固體鉭電容最終工做電壓降額的選取還與溫度、電源迴路阻抗、電源上下電等有關。表中提供的參數估計值僅爲最低要求，實際的降額選取應根據電路應用條件來作調整。

從實際應用統計及鉭電容自身結構分析，高耐壓高CV值MnO₂鉭電容（≥25V/10uF）可靠性相對於低壓鉭電容要差。不建議12V以上的電路使用MnO₂鉭電容。除了某些高阻抗、限流或者控制電路中，12V以上耐壓需求能夠考慮選擇25V以上耐壓電容外，低阻抗電源濾波不建議選擇高耐壓系列MnO₂鉭電容。

　　MnO₂固體鉭電容的降額還應注意根據如下狀況做調整：

（1）迴路低阻抗（＜0.1Ω/V，不考慮並聯電容電抗）的條件下，工做電壓至少降額到30%額定工做電壓如下。正常工做中，高溫＞85℃的狀況，工做電壓建議降額到20%額定工做電壓如下。

（2）在上下電受到浪涌衝擊電流過大時（單顆電容浪涌電流＞3A、電壓變化率＞0.01V/us），降額幅度最好考慮增長，同時應選擇ESR大一些、容量小一些的多個電容並聯的方式來分攤衝擊電流。

（3）注意避免因過分降額致使高耐壓鉭電容（≥25V）應用於低壓電路的狀況。

器件類型	降額參數		條件	降額要求
固體鉭電解電容（MnO₂）	工做電壓V_a		穩態最壞	≤50%
	工做電壓V_a		瞬態最壞	≤55%
	環境溫度T_a		穩態/瞬態最壞	≤T_max-20℃
	反向電壓V_re		穩態最壞	禁止施加持續反向電壓
	反向電壓V_re		瞬態最壞	≤2%額定工做電壓
	電壓變化dv/dt		瞬態最壞	≤10V/ms
	紋波電流I_a		T_a≤85℃	≤100%
			T_a≤95℃	≤80%
			T_a≤105℃	≤60%
固體鉭電解電容（Polymer）	工做電壓V_a	U_r≤10V	穩態最壞	≤85%額定工做電壓
		U_r≤10V	瞬態最壞	≤90%額定工做電壓
		10V＜U_r≤25V	穩態最壞	≤70%額定工做電壓
		10V＜U_r≤25V	瞬態最壞	≤80%額定工做電壓
		U_r＞25V	穩態最壞	≤60%額定工做電壓
		U_r＞25V	瞬態最壞	≤80%額定工做電壓
	環境溫度T_a		穩態最壞	≤T_max-20℃
	環境溫度T_a		瞬態最壞	≤T_max
	反向電壓V_re		穩態最壞	禁止施加持續反向電壓
	反向電壓V_re		瞬態最壞	≤2%額定工做電壓
	電壓變化dv/dt		瞬態最壞	≤15V/ms
	紋波電流I_a		T_a≤85℃	≤100%
			T_a≤95℃	≤85%
			T_a≤105℃	≤70%
固體插裝鋁電容 /固體SMD鋁電容	工做電壓V_a	U_r≤10V	穩態最壞	≤90%額定工做電壓
		U_r≤10V	瞬態最壞	≤95%額定工做電壓
		10V＜U_r≤25V	穩態最壞	≤85%額定工做電壓
		10V＜U_r≤25V	瞬態最壞	≤90%額定工做電壓
		U_r＞25V	穩態最壞	≤70%額定工做電壓
		U_r＞25V	瞬態最壞	≤80%額定工做電壓
	環境溫度T_a		穩態最壞	≤T_max-20℃
	環境溫度T_a		瞬態最壞	≤T_max
	反向電壓V_re		穩態最壞	禁止施加持續反向電壓
	反向電壓V_re		瞬態最壞	≤0.5V（peak）
	脈衝電流（I_peak）		瞬態最壞	≤10A或10*額定紋波電流，取小者。
	紋波電流		穩態最壞	≤100%

薄膜電容

薄膜電容有插裝和表貼兩種封裝形式。經常使用的薄膜電容大多使用以下四種介質材料，其中PET膜和PP膜是應用最爲普遍的薄膜電容介質材料。PEN和PPS膜的熔點溫度較高，通常用於製做耐高溫薄膜電容器和SMD薄膜電容。

PET：聚乙烯對苯二甲酸酯介質膜

PP：聚丙烯介質膜

PEN：聚萘乙酯介質膜

PPS：聚苯硫醚介質膜

薄膜電容的封裝有插裝（DIP）和表貼（SMT）兩種。

器件類型	降額參數	條件	降額要求
安規用薄膜電容（專指X、Y電容）^[1]	工做電壓	穩態最壞	Y電容：≤100%額定工做電壓
	工做電壓	穩態最壞	X電容：標稱275~310V_ac：適用≤240V_ac工頻電網標稱330~350V_ac：適用≤277V_ac工頻電網標稱440~480V_ac：適用≤380V_ac工頻電網
	浪涌電壓	瞬態最壞	按照IEC60384-14規定，不容許超額
	環境溫度	瞬態最壞	≤T_max-10℃
交流薄膜電容^[2]	工做電壓（交流）	穩態最壞	≤85%額定交流電壓
	工做電壓（交流）	瞬態最壞	≤100%額定交流電壓
	浪涌電壓	非週期性浪涌電壓（持續時間≤10ms）	≤95%最大脈衝電壓（datasheet未規定最大脈衝電壓時，按1.25倍額定直流電壓計算）
	環境溫度		≤額定溫度^[3]-10℃
	熱點溫度^[4]		≤額定溫度-5℃
	dv/dt	瞬態最壞	≤80%
	紋波電流	穩態最壞	≤90%
直流與脈衝薄膜電容	直流工做電壓	穩態最壞	≤90%額定直流電壓
	直流工做電壓	瞬態最壞	≤100%額定直流電壓
	浪涌電壓	非週期性浪涌電壓（持續時間≤10ms）	≤95%最大脈衝電壓（datasheet未規定最大脈衝電壓時，按1.25倍額定直流電壓計算）
	環境溫度		≤額定溫度-10℃
	熱點溫度		≤額定溫度-5℃
	dv/dt	瞬態最壞	≤80%
	紋波電流	穩態最壞	≤90%

[1]：安規電容指符合IEC60384-1四、UL141四、UL1283等「電磁干擾抑制電容」。通過安規機構認證的可跨接於50~60Hz交流市電的火線、零線和地線之間的電容，即X和Y電容，僅可用於EMC，不可用作逆變電路的平滑電容，也不可用作電容式降壓電路的降壓電容。

[2]：交流薄膜電容是專爲交流應用設計的電容，典型應用是逆變器的平滑電容。電容式降壓電路必須採用專門設計的降壓電容器，不能使用通常用途的交流薄膜電容。

[3]：額定溫度可能低於上限工做溫度，也可能等於上限工做溫度。當規格書中沒有說明額定溫度時，默認額定溫度等於上限工做溫度。

[4]：對於大型薄膜電容（10A以上額定電流的薄膜電容），須要測量電容內部熱點溫度，或依據電容的熱阻和充放電電流計算熱點溫度。熱點溫度不得超過規定。對於小型薄膜電容，額定電流是按照內部熱點溫度不超過上限類別溫度標識的，不需另外計算熱點溫度。

陶瓷電容

陶瓷電容有插裝類單層陶瓷電容、MLCC電容/電容排等分類。

器件類型	用途	參數	材料	環境溫度	額定電壓	條件	降額要求
插裝多層陶瓷/片式電容排	普通	工做電壓V_a	NPO/ U2J/ X7R/ X7S/ X7T/ X7U	≤85℃	U_r＜25V	穩態最壞	≤85%
						瞬態最壞	≤100%
					U_r≥25V	穩態最壞	≤75%^[1]
						瞬態最壞	≤100%
				85℃＜, ≤125℃	U_r＜25V	穩態最壞	≤70%
						瞬態最壞	≤80%
					U_r≥25V	穩態最壞	≤60%
						瞬態最壞	≤80%
			X5R/X6R/ SY5V	全部		穩態最壞	≤60%
						瞬態最壞	≤80%
		環境溫度	全部			穩態最壞	≤T_max-5℃^[2]
						瞬態最壞	≤T_max
插裝單層陶瓷/SMD陶瓷	普通	工做電壓V_a	NPO/ U2J/ X7R/ X7S/ X7T/ X7U	≤85℃	U_r＜25V	穩態最壞	≤85%
						瞬態最壞	≤100%
					U_r≥25V	穩態最壞	≤75%^[1]
						瞬態最壞	≤100%
				85℃＜, ≤125℃	U_r＜25V	穩態最壞	≤70%
						瞬態最壞	≤80%
					U_r≥25V	穩態最壞	≤60%
						瞬態最壞	≤80%
			X5R/X6R/ SY5V	全部		穩態最壞	≤60%
						瞬態最壞	≤80%
		環境溫度	全部			穩態最壞	≤T_max-5℃^[2]
						瞬態最壞	≤T_max
	安規電容	工做電壓V_a	全部			穩態最壞	≤100%
						瞬態最壞	≤100%
		環境溫度	全部			穩態最壞	≤T_max-5℃
						瞬態最壞	≤T_max

[1]：對於-48V接口電路，電壓波動範圍-36V~-72V的狀況下，可使用耐壓100V的X7R陶瓷電容濾波，可是瞬態最壞狀況建議不超過額定值。

[2]：若是環境溫度比較難得到，能夠採用電容表面溫度進行降額，其中殼溫降額爲穩態不超過額定溫度T_max，瞬態不超過T_max+5℃。

下表爲陶瓷電容在不一樣封裝下的容許功耗和熱阻表。其中最大容許功耗單位爲mW，在常溫﹢25℃，20℃溫升條件下測試獲得。部分尺寸型號可根據長x寬，依據附近的熱阻來大體判斷，如1810可參考1210和1812的熱阻來大體肯定。

實際上，陶瓷電容功耗和焊盤尺寸及覆銅面積相關，焊盤尺寸及覆銅面積越大，容許的功耗就越大。下表標稱的熱阻值爲典型值，僅做爲設計參考。

EIA尺寸	長*寬 (mm)	普通MLCC		高Q電容
EIA尺寸	長*寬 (mm)	容許功耗mW	熱阻R_th(℃/W)	容許功耗mW	熱阻R_th(℃/W)
0201	0.6*0.3	77	260	-	-
0402	1.0*0.5	87	230	91	219
0603	1.6*0.8	93	216	138	145
0805	2.0*1.25	97	207	177	113
1206	3.2*1.6	103	194	-	-
1210	3.2*2.5	136	147	282	70.9
1812	4.5*3.2	185	108	-	-
1111	2.79*2.79	-	-	400	50

說明：陶瓷電容的ESR很低，可容許紋波電流較大，通常狀況下不用考慮功耗溫升等狀況。但某些場合下須要注意，如高Q電容用於射頻高功率信號耦合或旁路濾波，或者普通MLCC用於可能有射頻高功率信號耦合或泄露的電源濾波場合，要注意分析採用的電容所能承受的功率（普通MLCC電容須要考慮諧振頻率點在射頻工做頻率附近狀況下所能承受的功耗）。

穿心和可變電容

器件類型	參數	條件	降額要求
穿心電容型EMI濾波器/三端電容型EMI濾波器/雲母電容	工做電壓	穩態最壞	≤60%
	工做電壓	瞬態最壞	≤65%
	環境溫度	穩態最壞	≤T_max-10℃
	環境溫度	瞬態最壞	≤T_max-10℃
	工做電流	穩態最壞	≤60%
	工做電流	瞬態最壞	≤60%
可變電容器	工做電壓	穩態最壞	≤60%
	工做電壓	瞬態最壞	≤65%
	環境溫度	穩態最壞	≤T_max-10℃
	環境溫度	瞬態最壞	≤T_max-10℃

工做電流的測量

工做電流用示波器的電流槍測量，採用有效值表示。測量時能夠採用加長電路引線的方式來保證電流槍探頭的穿入，但應保證引線儘量短。

超級電容

超級電容目前由兩類：一、有機溶劑電解液或固體電解質超級電容；二、水系電解液超級電容，主要差異在陰極材料。

器件類型	參數	條件	降額要求
有機溶劑電解液超級電容/固體電解質超級電容	工做電壓	穩態/瞬態最壞	≤100%
	環境溫度	穩態最壞	≤T_max-5℃
	環境溫度	瞬態最壞	≤T_max
	最低溫度	穩態/瞬態最壞	≥T_min+10℃
	反向電壓	穩態最壞	禁止
	反向電壓	瞬態最壞	≤2*額定工做電壓
	充放電流	-	≤100%
	預估壽命	-	≥單板壽命*0.8
水系電解質超級電容	工做電壓	穩態/瞬態最壞	≤70%
	環境溫度	穩態/瞬態最壞	≤T_max-20℃
	最低溫度	穩態/瞬態最壞	≥T_min+20℃

[1]：任何狀況下，超級電容都不能超溫使用。

[2]：施加反向電壓會致使電容壽命減小。

[3]：超級電容的容量巨大，充電電路最好能配置限流電阻，除保證電流不超標之外，還能減小電路上電時間。

[4]：電容壽命估算公式：L_x=L_o*2^(Vo-Vx)/0.2*2^(To-Tx)/10

Lo：標稱壽命 Lx：應用壽命

Vo：額定電壓 Tx：應用電壓

To：額定上限溫度 Tx：應用溫度（最好可以計算時間加權溫度）

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