AVX钽电容故障分析

AVX钽电容故障分析

AVX钽电容器 的故障模式的讨论基本包括两方面：标准二氧化锰负极类型和新导电聚合物(CP)类型。标准钽电容器在正常工作模式下，由于电脉冲和电压水平，使沟道（通 道）中电导增加，而导致电击穿。这会导致随后的热击穿，将电容器击毁。在相反模式下，我们已经通报过：在相对低的电压水平下，焦耳热会引起导电增加，从而 触发热击穿。最终导致反馈循环，包括：温度-电导 -电流-焦耳热，最终形成电击穿。这两种击穿模式具有随机特征，很难提前定位。相对于标准钽电容器而言，导电聚合物（CP）电容器则显示了稍微不同的电流 导电机理。导电聚合物的介质击穿近似于雪崩击穿和场致发射击穿。是由于两电极之间的引力，电化学衰变，枝状结晶组织等原因导致的机电崩塌。然而，也出现了 某些负极膜发生自愈现象报告。这可能源于膜蒸发，碳化和再氧化过程。但并非所有的电容器击穿会导致自愈现象或开路状态。可能也会出现短路情况。AVX钽电容
我们对于介质击穿的研究意在找出可以对这种现象加以描述的基本参数系列，及其与最终产品的质量和可靠性之间的关系。基本上，介质击穿可由一系列的物理过程 产生：焦耳热引起电导增加，从而导致热击穿；雪崩击穿和场致发射击穿；两电极之间的引力，电化学衰变，枝状结晶组织等原因导致的机电崩塌 等等。介质击穿导致绝缘体和两极的击毁，主要由于熔化和蒸发和有时随后发生热逃逸。为掌握钽MIS（金属-绝缘体-半导体）异晶结构的更多数据和找到与介 质击穿之间的关系，我们研究在两中模式下的电流/电压依赖工作参数（在正常模式下，钽电极被施加正偏压；在相反模式下，钽电极被施加负偏压）。AVX代理商
击穿击毁不仅源于突发的击穿情况，而且由于随后的电流流动，从而使击穿的起源和动力难于解释。
当自愈情况出现时会出现一些特殊现象。在某些 情况中，薄弱点和体击穿面积可以减少。在实验室实验中，热击穿可以被测量，而元件装置不被毁坏；电击穿可以被观测到，而只出现最小的损坏。辅助自愈过程也 可以被推导出；氧元素可从二氧化锰负极中释放出来，允许钽二氧化物的再生或消除电子陷阱（类似于阳极化处理或钝化过程），使在介质层中的薄弱点减少。
根据报告，导电聚合物材料有两种自愈途径。第一个理论基于蒸发过程。聚合物的熔化和蒸发温度相当低。如电流错误足以使聚合物加热，则其可蒸发和消除掉其与该处的联系。
自愈的第二个理论则认为当导电聚合物在故障处被加热时，聚合物吸收氧元素，从而形成一个高电阻帽，封住了电流向该故障处的通路，与二氧化锰 MnO2 的自愈方式大致相同。 AVX钽电容
介质层的击穿过程并不十分确定。我们的薄氧化膜实验表明电击穿并不在施加电场的定义值精确（高）时出现。击穿过程是随机过程的结果，最终的击穿个案，多数情况下都为独立事件。
片式钽电容器最常用的电路是电源电路的前级滤波和输出端的二级滤波.另外,也可以并联使用在退藕电路以消除寄生电容造成的杂波干扰. 有时候,大容量的片式钽电容器也可以使用在脉冲充放电电路中作为二级瞬时补偿电源. 一些阻抗特别低的产品也可以使用在大规模集成电路的前级滤波上,以保证大规模集成电路使用中不因为交流纹波过高而发热量太大死机.

由于不同电路中的电路参数差别很大,不同规格的片式钽电容器的参数指标不同,因此,在电路设计选型时,必须保证电路参数要求和电容器的参数配合合适.否则,完全有可能出现因为电容器参数和电路参数不匹配导致的失效和电路故障.

最常见的使用故障如下;

1.工作频率和电容器类型不配套;

在甚高频电路,由于电路工作频率高会导致电容器的感抗增加而容量下降,因此,必须使用感抗和阻抗ESR非常低的叠层陶瓷电容器[MLCC].同样,在中低频率滤波电路使用,就必须使用片式钽电容器,因为MLCC在低频率下滤波效果就很差. 合适的工作频率和电容器阻抗及容量变化上存在如下数学关系;

ESR=1/2πfc

ESR就是电容器的等效串联电阻.

π圆周率3.14

f是电路工作频率

C是电容器的容量

不同种类电容器的自有ESR差别非常大,根据上面的公式可以推导出这样的结论;不同种类的电容器由于ESR不同而适合于不同频率的滤波电路.不单是体积和体积容量比大小的问题.因此,您必须根据电路中的需要过滤掉的纹波的频率来选择阻抗ESR在不同范围的电容器,容量选择只考虑信号响应速度的快慢要求即可.否则,滤波效果就不能达到设计要求.

电容器的等效串联电阻ESR和容量甚至电容器种类选择不合适, 滤波效果就会很差,滤波后电路中就会仍然存在不同频率的交流杂波干扰信号. 因此,使用在滤波电路中的电容器,因为选择了频率特性不合适的电容器,滤波性能就不能达到要求.一句话;使用在滤波电路中的电容器,必须首先考虑电容器的频率特性是否和电路中的需要过滤掉的交流杂波频率相符.由于使用的电容器频率特性不合适,滤波电路出现故障,实际上是一种低层次的技术失误.这要求电路设计者必须对各类电子元件的不同参数特点有个基本的了解.千万不要在对此了解不够时实验性地完成电路设计,到出现问题时再去找其它的原因.

2.  工作电压和额定电压比例选择不合适;

很多电容器使用者只是简单地根据用户提供的使用手册说明,把片式钽电容器的使用电压设计到额定电压的50%,甚至到60-70%,当出现失效时简单地给电容器供应商定罪. 殊不知,电容器生产商提供给你的使用电压选择在50-70%是指每伏特电压有3欧姆保护电阻的情况下的使用或实验条件. 对于片式钽电容器使用的滤波电路,由于回路电阻非常低[这是电源模块的输出功率和输出纹波要求下必须遵守的电路条件],在开机的瞬间由于场效应现象,电路中会出现一个纳秒级的电压和电流脉冲.此脉冲对电路中的元件的可靠性破坏巨大;它瞬间就可以导致实际加在电容器上的电压和电流远超过容许值,因此,如果使用在滤波电路中的电容器使用电压达到50%甚至更高,电容器的失效率就非常高.基本上是不可避免的.  此脉冲对电子元件破坏性最大的点还不仅仅发生在电容器上,更危险的是它会导致根本不能承受过高电压和电流的大规模集成电路会瞬间烧毁.

使用在此类电路的片式钽电容器,为了防止瞬间过压过流,必须依据电源模块的回路阻抗高低进行大幅度降额,一般的要求是工作电压必须降额到额定电压的1/3才可以保证可靠性.

如果片式钽电容器使用在输入电压和电流稳定的脉冲放电电路作为功率补偿用,那么,使用电压就可以达到额定电压的50%,甚至60%都可以安全使用.但是,必须注意电容器的电容量和需要的输出功率之间的配合必须足够.否则会出现掉电现象.

另外,使用在此类电路的电容器上到底可以安全承受多高的峰值直流电流冲击,必须依据下式计算得出;

I=UR/1+ESR

I;电容器可以承受的最大直溜电流

UR;电容器的额定电压

1;电路中的回路电阻

ESR;该电容器的等效串联电阻

从上式中可以得出; 如果该电路使用的电容器的容量偏低,阻抗偏大,会导致电容器在超过容许的大电流冲击下发热失效.

到底该使用多大容量的电容器,可以参考我的另外一篇博文[输出电流和容量匹配计算].

如果放电功率较大,放电频率较高,那么需要降额的幅度更大.

此类电路中的失效问题,例如开机时的爆炸短路现象,多数都是因为电路设计者不清楚滤波电路和放电电路的信号特点存在非常大的差别,因此,不分电路类型,统统规定降额多少的做法是非常缺乏科学依据的自杀行为.

此类失效是最常见的低层次失效.

3.保护电路设计上的缺憾导致的失效;

由于低阻抗电路在开机的瞬间会产生一个强度极高的脉冲,而且此脉冲非常容易导致电容器及集成电路和其它功率性器件瞬间失效,因此,最先进的做法是在电路的输入端加装一个软启动电路[也叫延时电路或保护电路],具体的电路请参考我的博文[开关电路的可靠性保护设计].

危险的是经常有人问我,我的电路已经加装了保险丝,而且有过载保护,为什么还出现失效?

过载保护起作用的前提是电路中出现短路现象,大电流产生已经达到秒极以上. 保险丝的作用与此类同,只是一个可以马上手动恢复,一个必须更换.它们起作用的条件是电路中已经产生很大的电流并且相对时间较长,对于产生时间只是纳秒级的脉冲,它们根本来不及起作用,脉冲就已经进入后续电路.对于后续的控制电路中的元件的可靠性破坏根本不起任何保护作用.

因此,开关电源电路[简称为低阻抗电路]的可靠性保护设计必须有设计合适的软启动电路来实现.没有此电路的电容器和集成电路非常容易损坏,可靠性也低的多.

作为电路设计者,此电路的设计水平已经可以体现出设计者的设计水平高低.因为它对电路的可靠性至关重要.

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