钽电容器设计选用指南.docx
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钽电容器设计选用指南
钽电解电容器选用及使用指南
钽电解电容器选用及使用指南
1范围
2引用文件
3定义
详见附录A
4设计要求
4.1简要说明
4.1.1分类
按物理结构可以分为固体钽电解电容器和液体钽电解电容器。
4.1.2特点
1）固体钽电解电容器：
优点：
体积小、容量大、温度范围宽（一般在-55℃～+125℃）、漏电流小，在半导体器件工作电压范围内（指150V以下），相同容量的钽电容器比铝电解电容器体积小2倍，并具有损耗小、性能稳定、寿命长、可靠性高等优势；
缺点是电压负荷能力差，只适合在低频电路中使用，而且是极性电容器，使用和测试时稍不注意会产生潜在缺陷。
2）非固体电解质钽电容器特点
优点：
漏电流较小，单位体积电容量与工作电压的乘积特别大，尤其适合在中高压条件下的大容量电路中；
缺点：
有酸性液体，如果一旦发生漏液，可能使印制板连线短路，从而引起整机发生严重故障，而且禁止施加反压。
4.1.3应用场合
固体钽电解电容器一般用于旁路或滤波脉动交流成分和要求大容量场合，以及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；
非固体电解质钽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。
4.2选用要求
4.2.1一般要求
1）根据应用部位的特点（如：
机械应力、产品环境等）确定是否可以选择钽电容器；
2）根据应用部位的质量等级（星、船、弹、地面、单测）和可靠性要求，确定所选择钽电容器是否符合要求的质量等级及其可靠性的范围；
3）根据对钽电容器的性能、体积、质量和价格进行综合比较后按最佳费用效益比选择合适的品种及生产厂家。
4.2.2详细要求
1.固体电解质钽电容器
1）容量及偏差
选择电容时，必须了解电容量的额定值及允许偏差范围；
2）额定电压
考虑到可靠性降额以及使用中可能发生的浪涌或顺便电压，应该选择有足够高电压的电容器；
3）反向电压
钽电容器为极性元件，是不允许施加反向电压的，并且不可使用在只有交流的电路；
4）环境温度
必须在电容器规定的允许温度范围内使用，同时尽量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；
5）质量等级
型号地面设备研制尽量选用七专等级以上电容器。
6）纹波电压
在规定频率及温度下，纹波电压应在规定允许纹波电压以内使用；
7）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，因此需对电压进行降额，以减小漏电流；
8）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，一般用在10KHz以下的低频电路，超过10KHz请选用高频钽电容器或其它电容器；
9）浪涌要求
浪涌电压、电流不能作为参数用在电路中，容量越大的产品可以承受更大的浪涌电流冲击，因此在合理的范围内，尽量选择容量大的电容器。
10）降额
按照GJB/Z35-93执行，建议钽电容器降额最低应满足Ⅱ级；
2.非固体电解质钽电容器
1）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10%（16V以下不得超过20%）；
2）反向电压
电容器不允许有反向电压；
3）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，因此不得超出允许的温度范围；
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。
4）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，但需确定其漏电流稳定性；
5）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，一般用在10KHz以下的低频电路，超过10KHz请选用高频钽电容器或其它电容器；
6）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。
7）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。
8）浪涌要求
浪涌电压、电流不能作为参数用在电路中，容量越大的产品可以承受更大的浪涌电流冲击，因此在合理的范围内，尽量选择容量大的电容器。
9）降额
按照GJB/Z35-93执行，建议钽电容器降额最低应满足Ⅱ级；
4.3应用举例
4.3.1做旁路电容使用
钽电解电容器与小容量瓷介电容器并联使用，以改善频率特性。
图1输入端与小容量瓷介电容器并联使用
4.3.2辅助电路中使用
如图2所示，C12和C13为钽电容器，兼具储能和滤波功能。
图2储能及滤波使用
4.3.3大容量储能与抗浪涌设计
建议采取图3所示方式给电容器串联电阻，以缓解瞬间大电流对电容器的冲击。
如瞬间大电流过大，建议采取增加二极管电流泄放。
图3钽电解电容器串电阻使用
注：
当由于体积或其它要求无法串联电阻时，钽电容器需充分降额。
4.3.4串联冗余使用
如图7中电容器的串联可以增加耐压，每个电容器均应按照极限最大值进行降额计算。
图5输入串联使用
5使用要求
5.1筛选和复验
根据型号产品的不同，按照各型号要求进行筛选或依据本所入所复验和二次筛选条件进行筛选和复验。
复验和二次筛选条件详见以下文件：
5.2外观和机械检查
用目视检查电容器的结构和工艺。
用50倍的放大镜检查电容器的质量。
5.3安装要求
将器安装在印刷电路板上时，如受到过大的机械冲击或热冲击等负荷，将引起电气特性劣化、短路等，故请在确认实际安装条件后再使用。
a）成形：
引线弯折位置应距焊点5mm以外，弯折时应一手持（或借助钳子镊子等工具）产品引线，另一手持镊子在弯折处进行引线弯折，所有的受力点都在引线上；切忌手持产品本体对引线进行弯折，容易造成对焊点的损伤，而且弯折处应有圆滑弧度；
b）安装：
母体必须和电路板贴紧配合，尽量无缝，然后用硅胶固定；大壳号产品应用固件将产品加固到电路板上；装机时焊接位置应距离焊点5mm以外，焊接温度应低于260℃，焊接时间小于4秒；特别注意：
使用的烙铁功率不得超过30W，并不能用烙铁头碰触产品本体。
5.4焊接一般要求
由于载流焊接时产品的加热媒介是热真空，而波峰焊接时的加热媒介时热传导系数最高的高温液态金属，因此，波峰焊接对产品基体造成的瞬间热冲击要远远大于再流焊接，因此，从保护产品可靠性的角度出发，在焊接方式可以选择时，建议使用载流焊接方法对钽电容器进行装配使用。
同时必须注意：
焊接到电路板上的产品，必须在焊接结束24小时后才可以通电测试或使用，以保证经受过强烈热冲击的电子元件物理性能完全恢复到正常。
5.5测试要求
a）无意识地把正负极搞反会导致击穿或漏电流过大，这也包括使用万用表不分极性的测试；
b）容量偏差及ESR和损耗不一致；
电容器的容量除了会随测试频率增加而降低外，同时，不同的环境温度也可能导致容量出现微小偏差，因此，相同的测试温度与相同的测试频率都是基本的测试条件要求。
c）测试顺序造成的影响；
一般测试钽电容器时都必须依次测试容量－损耗－ESR－漏电流，不能先测试漏电流然后再测试容量损耗及ESR。
d）测试时间造成的影响；
不同容量的电容器在介质层两端的极化完成后才能呈现出电容特性，而电容器的极化时间随容量的增加而增加，因此，在测试容量较大的产品时，即使是测试容量也必须在数秒后读数才最准确。
e）放电造成的影响
一般在测试完漏电流后都必须放电，必须注意，放电时不能使用电阻极低的任何金属直接短路放电，因为，这样做相当于给电容器瞬间施加了一个反向浪涌电压，有可能把电容器击穿。
在放电时必须使用至少100Ω的电阻进行放电；
上述细节问题需要密切注意，使用者切不可违反上述规定。
5.6替代准则
在设计选型时可按以下原则替代：
1）额定电压高的替代额定电压低的
2）容量精度高的替代容量精度低的
3）质量等级高的替代质量等级低的
附录A
术语、符号及技术摘要
A1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%。
A2容量
A2.1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。
A2.2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%。
A3电压
A3.1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。
A3.2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。
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
A3.3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
A3.4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。
A4损耗因子和损耗角正切（tgδ）
A4.1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。
A4.2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。
A5阻抗（Z）和等效串联电阻（ESR）
A5.1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。
A5.2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。
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）。
A6D.C.漏电流
A6.1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。
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。
A6.2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。
A7使用时产品各种参数与产品性能之间关系说明
A7.1固体电解质钽电容
A7.1.1容量与使用频率之间的关系
如图：
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。
A7.1.2损耗与使用频率之间的关系
如图：
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。
A7.1.3ESR与使用频率之间的关系
如图：
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。
A7.1.4温度与容量变化率之间的关系
如图：
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℃时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。
A7.1.5电压与漏电流之间的关系
如图：
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。
A7.1.6电压与温度之间的关系
如图：
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℃
A7.1.7漏电流与使用温度之间的关系
如图：
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℃时漏电流会在室温时的10倍以下变化，在125℃时在室温时的12倍以下变化。
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。
A7.1.8使用电压与额定电压及电路阻抗的关系
如图：
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），建议使用电压设定在额定电压的0.3以下，使用在其它有电阻保护的电路中时，建议使用电压最少设立在额定电压的0.6以下，或参照GJB/Z35-93。
A7.1.9能够承受的交流纹波信号
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
A7.1.10使用时应注意的问题及解决方案
a）“不断击穿”又“不断自愈”的问题
其工作时“击穿”又“自愈”，在反复进行，导致漏电流增加。
这种短时间（ns～ms）的局部短路，又通过“自愈”后恢复工作。
关于“自愈”，理想的Ta2O5介质氧化膜是连续性的和一致性的。
加上电压或高温下工作时，由于Ta＋离子疵点的存在，导致缺陷微区的漏电流增加，温度可达到500℃～1000℃以上。
这样高的温度使MnO2还原成低价的Mn3O4。
有人测试出Mn3O4的电阻率要比MnO2高4～5个数量级。
与Ta2O5介质氧化膜紧密接触的Mn3O4就起到电隔离作用，防止Ta2O5介质氧化膜进一步破坏，这就是固钽的局部“自愈”了。
但是，很可能在紧接着的再一次“击穿”的电压会比前一次的“击穿”电压要低一些。
在每次击穿之后，其漏电流将有所增加，而且这种击穿电源可能产生达到安培级的电流。
同时电容器本身的储存的能量也很大，导致电容器永久失效。
b）“热致失效”问题
固钽的Ta2O5介质氧化膜有单向导电性能，当有充放电电流通过Ta2O5介质氧化膜，会引起发热失效。
无充放电电流时，介质氧化薄相当稳定，微观其离子排列不规则、无序的，称作无定形结构。
目测呈现的颜色是五彩干涉色。
当无定形结构向定形结构逐步转化，逐步变为有序排列，称之微“晶化”，目测呈现的颜色不再是五彩干涉色，而是无光泽、较暗的颜色。
Ta2O5介质氧化薄膜的“晶化”疏散的结构导致钽电容器性能恶化直至击穿失效。
c）“场致失效”问题
固钽加上高的电压，内部形成高的电场，易于局部击穿。
d）解决方案
（1）为解决固钽“不断击穿”又“不断自愈”，应用超纯钽粉材料和工艺控制来减少这种局部“击穿”现象。
分析固钽在加上电压或高温下工作时，会产生局部“击穿”现象。
注意：
固钽环境温度从85℃降到55℃使用，其工作寿命将增加10倍。
（2）为解决“热致失效”问题，应用方在线路上入手，采取限流措施，增加固钽线路中的回路电阻。
如果应用线路中的串联电阻从3W下降到0.1W，则其可靠性会降低一个数量级以上。
在固钽线路中，增加串联电阻，达到1W／1V后，可增加固钽应用可靠性。
（3）“场致失效”的原因是加到固钽上的电压越高，场强越高，越容易产生“场致失效”。
所以为提高固钽可靠性，必须采取电压降额使用。
A7.2非固体电解质钽电容器
A7.2.1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。
A7.2.2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）。
A7.2.3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。
A7.2.4反向电压
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。
A7.2.5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。
A7.2.6使用时应注意的问题及解决方案
a）漏液问题
液体钽电容器工作电解质为酸性液体，如果产品密封不好，出现漏液。
酸性液体漏到电路的印制板上，使线条之间短路，发生严重故障。
另外，液体钽电容器在加电工作时不断化学反应要分解出气体，在高真空条件下气体在壳内膨胀而发生爆炸，引起导线之间短路。
b）耐反向电压问题
液体钽电容器采用的银外壳。
当加上反向电压后Ag＋离子很快通过电解液及Ta2O5介质膜并向钽正极上迁移。
即使有0.1V的反向电压，也会损坏了Ta2O5介质，使其损毁。
c）解决方案
（1）防止液体钽电容器漏液采用全密封型液体钽电容器。
例如：
贵州4326厂的CAK35全密封液体钽电容采用三级密封新的工艺，解决了密封问题。
（2）在测试筛选、调试及线路中规定，不得有反向电压加到液钽上去，来避免反向电压的损坏。
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