钽电容的选用和使用标准.docx

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钽电容的选用和使用标准

钽电容器设计指南

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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

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本指南批准人：

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27×10-12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=（ε0εrA）/d

这里：

ε0是真空中的介质常数（8.855×10-12法拉/米）

εr是五氧化二钽的相对介质常数：

27×10-12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（μF）；

ESR：

电容器在100KHz测试时的等效串联电阻，单位是欧姆（Ω）；

I0：

电容器在室温时的漏电流，单位是微安（μA）；

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）；

tgδ：

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：

100Hz±5Hz，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/Z35-1993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330Ω的电阻（CECC规定1KΩ），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

85℃

125℃

额定电压（Vdc）

浪涌电压（Vdc）

降额电压（Vdc）

浪涌电压（Vdc）

4

5.2

2.7

3.2

6.3

8.2

4.2

5.0

10

13.0

6.7

8.0

16

20.8

10.7

12.8

20

26.0

13.3

16.0

25

32.5

16.7

20.0

35

45.5

23.3

28.0

50

65.0

33.3

40.0

4.2.4.波纹电压—添加交流电压（Vr.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（tgδ）

4.3.1.损耗因子（D.F）

损耗因子是损耗角正切（tgδ）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（tgδ）

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tgδ表示。

tgδ的测试方法是：

100Hz，U_=2.20-1.0V，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=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：

100KHz±5KHz，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1000Ω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0.5μA（取大者）得到的。

4.5.2.波纹电流

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8～10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0～2.2V）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，工作温度范围在负温区以上，工作频率也较低，请选择能量密度较高的液体钽电容器或大容量固体电容器。

如果工作温度范围较大，要求电容器的性能参数变化范围较小，请选用高频、大容量、超低ESR固体钽电容器。

此类电容器由于具有超低的ESR值，因此，可以保证在电路输出高功率密度时产品发热量较小，不至于出现热击穿故障。

5.3.3.工作频率较高的电路

钽电容器由于固有的物理结构原因，其高频性能较差（除高频特性的钽电容外，适合用于10KHz以下），它的容量会随工作或测试频率的增加而下降，当工作频率高于产品的谐振频率时产品的容量会丧失，变成电感元件，因此，当工作频率较高时，请选择高频钽电容器以维持滤波性能或充放电性能。

当工作频率较高，又必须使用钽电容器时，请注意选择容量更大的产品和阻抗值最低的产品。

如果是超高频（达到MHz以上）电路滤波，信号响应速度和感抗要求较高，请选择叠层陶瓷电容器[MLCC]或其他类电容器，以保证信号失真度较小。

5.3.4.时间常数元件

此类电路利用钽电容器通电时，在不同容量时需要不同的极化时间，阻直通交特性才能稳定，而不同容量的产品的极化时间有明显差别，因此，使用在此类电路中时必须经过精密计算和测试，选择合适的容量规格才可以保证电路导通延时准确。

选择的容量偏大，导通时间将较长，反之将较短。

5.3.5.交流电路

如果使用在交流电路，必须选择使用无极性的钽电容器才可以保证安全使用。

5.4.对使用容量的选择要求

如果电路需要较高的信号响应速度，选择的电容容量不能过高。

如果电路中需要瞬时提供较大的功率密度，请选择容量较大的产品。

在选择容量大小时请注意由于不同容量的产品的阻抗不一样[容量越大阻抗越低]，因此，每只产品的耐浪涌能力也相差较大，瞬时释放功率也不一样。

在耐压足够时，如果单只产品容量不够，可将同规格产品并联使用。

但必须保证电路施加的功率密度[浪涌电流和电压的乘积]小于产品可耐受的浪涌极限的60%。

钽电容器能够耐受的直流浪涌电流[在脉冲充放电电路中需要特别注意]如下：

I=UR/（1+ESR）

式中：

UR为产品的额定电压，因此ESR较低的产品可承受更高的浪涌电流冲击，容量越大的产品可以承受更大的浪涌电流冲击。

4使用时应注意的基本要求

6.1.固体电解质钽电容（主要以片式钽电容为例）

6.1.1.钽电容器容量与使用频率之间关系如下图示：

钽电容器的容量随工作或测试频率的增加而降低。

当工作或测试频率等于电容器的谐振频率（一般在0.5-5MHz之间，决定于额定值）时，电容器的容量将丧失，超过谐振频率，元件变成电感。

因此电容器的上限使用频率不能超过电容器物理结构决定的谐振频率。

6.1.2.钽电容器损耗与使用频率之间关系如下图所示：

损耗角正切（tgδ）

钽电容器的损耗角正切（tgδ）随测试或工作频率的增加而增大。

因此，在不同频率下测试或使用时，产品的损耗将增加，设计电路和使用时清注意此变化趋势。

6.1.3.钽电容等效串联电阻ESR与使用频率之间关系的说明：

钽电容器的等效串联电阻ESR与产品测试或使用频率之间存在如下关系：

ESR=tgδ/2πfC

因此，损耗较大的产品等效串联电阻也将较大，随产品容量增加，产品的ESR也将越小，容量越低的产品ESR也将越大，阻抗随频率的增加而减少。

在低频时，阻抗（由于电容器的电抗）的贡献变得更加有意义。

超过1MHz（及电容器的谐振点）时，由于电容器的电感，阻抗再次增加。

6.1.4.钽电容器使用温度与容量变化率之间关系如下图所示：

钽电容器在最低使用温度-55℃时容量下降幅度小于5%，随测试或使用温度增高时容量将增加，在125℃容量最大增长幅度小于12%。

因此，在测试和使用时必须考虑到钽电容器在不同温度下的容量变化率。

钽电容器的容量随温度而变，偏差本身一定程度上与额定电压和电容器大小有联系。

6.1.5.钽电容的反向电压和无极性说明：

这里引用的反向电压值是指在任何时候出现在电容器上的最大反向电压。

这些极限建立在假定电容器在其工作期间的极大多数时间内极性正确的基础上，只是在短时间内极性反，例如出现在开关的瞬间外加波形的较小的部分。

连续工作在反向电压下会导致漏电流降级。

在有连续反向电压出现的场合，两个一样的电容器背靠背阴极连接在一起，在绝大多数情况下，这种组合是原来单个电容器容量的一半。

设计允许的额定反向电压要考虑包括异常的情况，例如输出破坏性发生偏移，导致极性变化。

钽电容为有极性电容器，所以请勿施加反向电压，不可使用在只有交流的电路中。

在不得已的情况下，允许在短时间内施加小量的反向电压，其值为：

25℃下：

≤10%UR（额定电压）或1V（取小）

85℃下：

≤5%UR（额定电压）或0.5V（取小）

在125℃时，额定直流工作电压的1%，最大为0.1V

a．如果将电容器长期使用在反向电路中时，请选用无极性钽电容器。

b．银外壳非固体电解钽电容器不能承受反向电压。

c．原则上禁止使用万用表的电阻档对有钽电容的电路或电容器本身进行不分极性的测试。

d．在测量使用过程中，如不慎使钽电容器承受了不应有的反向电压，请将该电容器报废，即使其各项电参数仍然合格。

6.1.6.钽电容器使用电压与漏电流之间关系说明：

上图可以说明，钽电容器的漏电流随测试或使用电压的提高而增加，在有1000欧姆保护电阻的条件下，室温时施加额定电压进行测试。

为保证使用时的可靠性，在可能的条件下，应该尽可能选用耐压更高的产品，以降低产品的漏电流，从而提高产品的可靠性。

6.1.7.钽电容器使用电压与温度之间关系的说明见下图：

当片式钽电容器用在85℃或以上温度时，请以降额电压作为工作电压，最大工作电压Umax（高温时）通过下式计算：

Umax=（1-（t-85）/125）×UR

这里：

UR：

额定电压（V）

T：

实际工作温度，T≥85℃

6.1.8.钽电容器漏电流与使用温度之间关系如下图示：

漏电流变化

钽电容器的漏电流随使用温度增加而增加。

在85℃时漏电流小于室温时的10倍，在125℃时小于室温时的12倍。

由于漏电流会随使用温度的增加而增加，因此，在设计电路时必须考虑到在使用温度较高时的降额问题才可以保证电路的可靠性。

6.1.9.钽电容器使用电压与额定电压及电路阻抗关系见下图：

电容器的故障受到使用电压和额定电压的比率影响很大。

设计实际电路时，考虑到可靠性，应适当降低电压。

使用低阻抗电路时（尤其在开关电源中作为滤波电容器和脉冲充放电电路中作为储能元件），请将使用电压设定在额定电压的1/3以下。

使用在其它有电阻保护的电路中时，请将使用电压最少设立在额定电压的2/3（建议1/3UR）以下。

钽电容器在电路中，应控制瞬间大电流对电容器的冲击，建议串联电阻以缓解这种冲击。

请将3Ω/V以上的保护电阻器串联在电容器上，以限制电流在300mA以下。

无法插入保护电阻时，请使用1/3额定电压以下作为工作电压。

由于低阻抗电路在开关的瞬间电路中会产生一个持续时间极短的浪涌冲击，而固体钽电容器承受浪涌电压和电流的能力是有限的。

这与其它电解电容器一样，这是因为它的电介质工作在非常高的电场强度下。

例如，6V钽电容器工作在额定电压其电场强度为167KV/mm。

因此，一定要保证电容器两端的电压一定不能超过规定的类别电压。

二氧化锰半导体层作为阴极的固体钽电容器有“自愈”能力，但是在低阻抗电路应用中它的作用时非常有限的，电容器非常可能被过大的浪涌电流击穿。

采用降额电压的方法可以增加元件的可靠性。

在快速充放电的电路中建议串联电阻1Ω/V。

如果不能这样做，电压要进行降额（建议1/3额定电压以下）。

当电压较高，一个电容器不能承受时，要采用串联组合，增加等效电容器的工作电压。

例如，两个22μF25V的元件串联在一起等效于一个11μF50V电容器。

6.1.10.钽电容器能够承受的交流纹波信号的说明

当使用在纹波电路里做滤波使用时，即使是实际的直流电压合适，如果电路中的交流分值过高，例如交流电压或交流电流过大，都可以直接导致产品发热量过大而出现热致击穿现象。

因此，必须对通过电容器的纹波电流或电容量允许的功率损耗进行限制。

由于不同壳号，不同容量产品的等效串联电阻不一样，在通过相同的纹波电流和电压时产生的热量因此也不一样。

因此不同壳号产品有不同的允许的最大发热功率PV。

当通过的纹波系数过高时产品的发热量大于散热量，积累的热量将导致产品的漏电流快速增加到危险值，直至击穿。

这就时热致击穿。

正因为此，使用在纹波系数较高的电路中的产品，为了提高可靠性必须使用更高额定电压的产品。

同时，必须对产品的允许通过的交流纹波系数进行严格限制，超过此标准的使用是不允许的。

钽电容器容许通过的最大交流分量见下式：

上式中：

Imax是允许的最大交流纹波电流

Vmax是允许的最大交流纹波电压

Pmax是允许的最大发热功率

Z是电路总电阻

ESR是产品的等效串联电阻

6.2.非固体电解质钽电容器

非固体钽电容器一般用于交流成分很小（相对于直流）的电路中。

6.2.1.容量和损耗

在测试时所施加的直流偏压会使容量略微变小，下降幅度最大不超过2%。

损耗同样会因为偏压而减少0.2%；

容量随温度的增加而变大，随温度的减小而变小，特别是大容量的电容的容量变化率较大，非固体钽电容在负温下容量变化要高于固体钽电容；

当温度高于和低于25℃时损耗都会变大；

6.2.2.直流漏电流

在允许的使用电压范围内，漏电流随施加在电容上的电压增长而增长；

漏电流随温度的增高而增长（在125℃时，大约为室温的8-12倍）；

在高温条件下储能将会引起一个小的、短时间的漏电增加，但在应用额定电压的几分钟内原始值通常会恢复；

暴露在高温度和高湿度混合的条件下，漏电流会有所增加，但在电压条件低于标准条件的情况下，漏电流通常会恢复（由于吸入水汽的导电作用，这种增加通常大于单独在温度影响下的漏电流，另外，水分从空气中吸收的灰尘将会增加这种影响）；

6.2.3.使用电压

电容器的故障受到使用电压和额定电压的比率影响很大。

设计电路时，请考虑到所有要求的可靠性，适当降低电压，当大于85℃时，必须充分降额使用。

6.2.4.反向电压

钽电容器介质氧化膜具有单项导电性和整流特性，当施加反向电压时，就会有较大的电流通过，往往会造成质量隐患，严重时甚至造成电容器反向击穿失效。

因此，使用中应严格控制反向电压：

a.银外壳非固体电解质电容器不能承受任何反向电压；

b.全钽电容器能承受3V反向电压；

c.原则上禁止使用三用表电阻档对钽电解电容器的电路或电容器本身进行不分极性的测试（容易施加反向电压）；

d.在测量使用过程中，如不慎对非固体钽电容器施加了反向电压，则该电容器应报废处理，即使其各项参数仍然合格，因为电容器有反向电压造成的质量隐患有一定的潜伏期，在当时并不一定能表现出来。

6.2.5.纹波电流

钽电容器在电路设计中当施加超过钽电容器所能承受的纹波电压、纹波电流时会导致钽电容器失效。

a.直流电压与交流分压峰值之和不得超过电容器的额定电压值；

b.交流负峰值与直流偏压之和不得超过电容器所允许的反向电压值；

c.纹波电流通过钽电容器产生了有功功率损耗，进而电容器自身温升导致的热击穿失效概率增大，因此有必要对通过电容器的纹波电流或电容器允许的功率损耗进行限制。

功率损耗P有与纹波电流Irms的关系由下式表示：

P有=V-*I漏+I2rms*Rs≈I2rms*Rs

V-：

直流偏压（V）；I漏：

漏电流（μA）；

Rs：

等效串联电阻（Ω）；Irms:

纹波电流（mA）；

由上式可以看出：

当Rs增大或当Irms增大时，功率损耗增大。

因此在高频电路中控制钽电容的功率损耗是必要的。

d.全钽型非固体钽电容器按壳号允许最大纹波电流的有效值（85℃40KHz0.66UR）见表1（以718厂电容为例），在不同使用电压，频率下纹波电流系数见表2：

6.2.6.可靠性

钽电容器的失效率根据其使用条件（环境温度、施加电压、电路电阻、使用电路等）的不同而不同，所以，请在充分研讨使用条件后，选择适当产品。

a.一般设计电容器时，以在85℃下连续施加额定电压1000小时的失效率为基准，在实际电路中往往存在浪涌电压或电流的峰值冲击及纹波电流或其他意外冲击的问题，所以实际使用中的降额设计是非常必要的，建议一般降额至少2/3UR（额定电压）以下。

以上降额幅度使用于有保护电阻的电流，如果钽电容器被使用在开关电源电路或脉冲充放电电路和其它低阻抗电路，必须降额到1/3额定电压值以下使用才可以保证安全工作。

b.使用于重要安全性设备时，要防止在使用中发生短路、开路等现象。

因此，设计时请充分注意以下几点，确保安全性：

设计保护电路、保护装置、系统使用；

设计冗余电路等，使之即使发生单一故障，也不导致整个设备系统的故障。

6.2.7.失效模式及失效率

a.失效模式

电容器失效可能由于超过了规定的使用电压、反向电压、浪涌电压、浪涌电流、功率损耗和温度等因素造成。

漏电流在短时间内的急剧变大导致短路失效，失效的电容表现出10～104Ω的阻抗；如果短路失效的电容在无保护的低阻抗电路中继续通电，电容将会明显发热，短路失效将转换成开路失效；如果电路不及时断开，过热的电容器将会被击穿并波及周围的元件。

请设计保护电路以预防该现象的发生。

b.失效率λ

λ=λbπrπvπcπEπQ

其中，λb=0.0004

πr=exp[-0.15（1/T-1/298）÷8.675×105]

T为环境温度

πc=C0.23

πv=（S/0.6）17+1，S=使用电压/额定电压；

πE表示环境严酷度，常