作者：首席應(yīng)用工程師 Rick Wiens

　　介紹

      為什么要在簡(jiǎn)單的兩端組件上花費(fèi)如此大的精力?電壓和電流額定值的組合當(dāng)然是一個(gè)因素，但更微妙的原因是電容器并不是真的那么簡(jiǎn)單。我們用來表示它們的示意圖符號(hào)是為了方便而省略的，和晦澀的細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)通常 a) 相當(dāng)重要，b) 在學(xué)術(shù)界沒有得到很好的對(duì)待。有些類型在失敗或誤用時(shí)往往會(huì)劇烈燃燒或釋放有毒蒸氣。其他類型的材料會(huì)隨著廢棄而減弱，并且可能會(huì)在其額定極限內(nèi)的壓力下失效。一些類型隨著環(huán)境和應(yīng)用程序變量表現(xiàn)出廣泛的參數(shù)變化，而其他類型則或多或少地被遺忘。做出明智的設(shè)計(jì)選擇需要了解和考慮這些不同的品質(zhì)。該資源的目的是在一個(gè)易于吞咽的膠囊中為讀者提供電容器技術(shù)指南，該膠囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。其他類型的材料會(huì)隨著廢棄而減弱，并且可能會(huì)在其額定極限內(nèi)的壓力下失效。一些類型隨著環(huán)境和應(yīng)用程序變量表現(xiàn)出廣泛的參數(shù)變化，而其他類型則或多或少地被遺忘。做出明智的設(shè)計(jì)選擇需要了解和考慮這些不同的品質(zhì)。該資源的目的是在一個(gè)易于吞咽的膠囊中為讀者提供電容器技術(shù)指南，該膠囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。其他類型的材料會(huì)隨著廢棄而減弱，并且可能會(huì)在其額定極限內(nèi)的壓力下失效。一些類型隨著環(huán)境和應(yīng)用程序變量表現(xiàn)出廣泛的參數(shù)變化，而其他類型則或多或少地被遺忘。做出明智的設(shè)計(jì)選擇需要了解和考慮這些不同的品質(zhì)。該資源的目的是在一個(gè)易于吞咽的膠囊中為讀者提供電容器技術(shù)指南，該膠囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。

　　什么是電容器?

　　電容器是以電場(chǎng)形式儲(chǔ)存電能的裝置。這個(gè)過程非常類似于機(jī)械彈簧以彈性材料變形的形式儲(chǔ)存能量的方式，在某種程度上描述兩者的數(shù)學(xué)非常相似，除了使用的變量。事實(shí)上，這種相似性可能是電氣或機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生經(jīng)常發(fā)現(xiàn)其他人的研究?jī)?nèi)容晦澀難懂的部分原因;“v”對(duì)電氣工程師 (EE) 來說是“電壓”，但對(duì)機(jī)械工程師 (ME) 來說是“速度”，機(jī)械工程師對(duì)彈簧的表示可能看起來更像是 EE 等的電感器。平行板電容器的概念是通常用作解釋大多數(shù)實(shí)用電容器結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)。它由兩個(gè)彼此平行放置并由絕緣體隔開的導(dǎo)電電極組成，絕緣體通常是幾種聚合物、陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾為真空中的一種。當(dāng)極板之間的間距相對(duì)于它們的面積較小時(shí)，這種電容器的值，本質(zhì)上是機(jī)械頭腦的“彈簧常數(shù)”，由圖 1 中的公式近似計(jì)算。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容值是用倒數(shù)的尺寸表示的;機(jī)械彈簧常數(shù)通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾真空。當(dāng)極板之間的間距相對(duì)于它們的面積較小時(shí)，這種電容器的值，本質(zhì)上是機(jī)械頭腦的“彈簧常數(shù)”，由圖 1 中的公式近似計(jì)算。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容值是用倒數(shù)的尺寸表示的;機(jī)械彈簧常數(shù)通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾真空。當(dāng)極板之間的間距相對(duì)于它們的面積較小時(shí)，這種電容器的值，本質(zhì)上是機(jī)械頭腦的“彈簧常數(shù)”，由圖 1 中的公式近似計(jì)算。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容值是用倒數(shù)的尺寸表示的;機(jī)械彈簧常數(shù)通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。當(dāng)板之間的分離距離相對(duì)于它們的面積較小時(shí)，由圖 1 中的公式近似計(jì)算。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容值是用倒數(shù)的尺寸表示的;機(jī)械彈簧常數(shù)通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。當(dāng)板之間的分離距離相對(duì)于它們的面積較小時(shí)，由圖 1 中的公式近似計(jì)算。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容值是用倒數(shù)的尺寸表示的;機(jī)械彈簧常數(shù)通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。

　　圖 1：平行板電容模型。

　　實(shí)際上，盤子不需要是平的;卷起的、折疊的、弄皺的、堆疊的、切片的、切塊的和切絲的幾何形狀也可以工作，盡管隨著幾何形狀變得更復(fù)雜，所涉及的數(shù)學(xué)可能會(huì)變得相當(dāng)混亂。那么，要想制作出更大值的電容器，可以采用面積較大的極板，減小間距(即介電材料的厚度)或提高材料的介電常數(shù)。搞亂 ε0 幾乎需要?jiǎng)?chuàng)建另一個(gè)宇宙，這在政治領(lǐng)域之外是一件相當(dāng)困難的事情。但是這個(gè)“介電常數(shù)”到底是什么東西?很好的問題;它本質(zhì)上是材料的一種特性，描述了它們?cè)谑┘与妶?chǎng)的情況下通過多種機(jī)制中的任何一種而變得電極化的能力。這些機(jī)制可能處于原子水平，其中原子核周圍的電子云被置換，導(dǎo)致原子在一側(cè)帶有輕微的正電荷，而在另一側(cè)帶有相應(yīng)的負(fù)電荷。它也可以在分子水平上發(fā)生，由于電極分子的方向響應(yīng)于施加的場(chǎng)而發(fā)生變化，或者通過彎曲和拉伸分子內(nèi)原子之間的鍵，非常像機(jī)械彈簧中的材料彎曲或拉伸。如果原子情況下的電子不會(huì)“吹走”并與相鄰的原子核重新結(jié)合，并且在分子情況下分子不會(huì)被電場(chǎng)力撕裂，則材料會(huì)起到絕緣體的作用;當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，它不支持持續(xù)的電荷流動(dòng)，盡管由于原子周圍電子的移動(dòng)或分子的重新定向/扭曲，它確實(shí)有效地允許一些電荷在電場(chǎng)建立時(shí)流動(dòng)。移除施加的電場(chǎng)可以讓電介質(zhì)中的電子恢復(fù)到它們所附著的原子核周圍的正常分布，或者物質(zhì)中的分子可以恢復(fù)到它們?cè)瓉淼碾S機(jī)方向或形狀。在這樣做的過程中，施加電場(chǎng)時(shí)流過電容器的大部分電荷返回電路，沿相反方向流動(dòng)。材料的(相對(duì))介電常數(shù)描述了材料促進(jìn)這種臨時(shí)電流流動(dòng)的程度，相對(duì)于真空的程度。對(duì)于給定面積、間隔距離和施加的場(chǎng)強(qiáng)，允許與真空相同數(shù)量的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為 1。允許兩倍于真空的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為 2，等等. 不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于所用電介質(zhì)的特性和給定設(shè)備的構(gòu)造方法。所有介電材料都有局限性，包括它們?cè)诮o定材料厚度下可以承受的最大施加場(chǎng)、它們的介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。分離距離和施加的場(chǎng)強(qiáng)的介電常數(shù)為 1。允許兩倍于真空的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為 2，等等。不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于特性所使用的電介質(zhì)的類型以及構(gòu)造給定設(shè)備的方法。所有介電材料都有局限性，包括它們?cè)诮o定材料厚度下可以承受的最大施加場(chǎng)、它們的介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。分離距離和施加的場(chǎng)強(qiáng)的介電常數(shù)為 1。允許兩倍于真空的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為 2，等等。不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于特性所使用的電介質(zhì)的類型以及構(gòu)造給定設(shè)備的方法。所有介電材料都有局限性，包括它們?cè)诮o定材料厚度下可以承受的最大施加場(chǎng)、它們的介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。等。不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于所用電介質(zhì)的特性和給定設(shè)備的構(gòu)造方法。所有介電材料都有局限性，包括它們?cè)诮o定材料厚度下可以承受的最大施加場(chǎng)、它們的介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。等。不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于所用電介質(zhì)的特性和給定設(shè)備的構(gòu)造方法。所有介電材料都有局限性，包括它們?cè)诮o定材料厚度下可以承受的最大施加場(chǎng)、它們的介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。

　　電容器的非理想特性

　　對(duì)于許多用途，實(shí)際電容器可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的集總元件模型來表示，該模型由一個(gè)理想電容器和幾個(gè)附加組件組成。

　　等效電阻率

　　等效串聯(lián)電阻(用R esr表示在圖 2 所示的模型中)描述了與通過電容器移動(dòng)電荷相關(guān)的損耗。電極和引線材料的電阻是一個(gè)促成因素，介電材料本身發(fā)生的損耗也會(huì)發(fā)生并且通常是主要因素。ESR 與電容器選擇的相關(guān)性是雙重的：1) 它影響電容器的交流響應(yīng)，以及 2) 由于熱限制，它限制了允許流過電容器的交流電流量。電流流過電容器的 ESR 會(huì)導(dǎo)致 I2 R 損失，就像任何其他電阻器一樣，導(dǎo)致電容器內(nèi)的溫度升高，從而導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短。ESR 受器件類型和構(gòu)造的影響，還不同程度地受溫度和測(cè)試頻率的影響。在許多情況下，電容器的 ESR 并未直接在數(shù)據(jù)表中給出，而是根據(jù) Q、耗散因數(shù) (DF) 或 Tan δ 等匯總數(shù)字進(jìn)行傳達(dá)。所有都是電容器的 ESR 和容抗 (XC ) 表達(dá)方式不同。Tan δ 和耗散因數(shù)計(jì)算為 ESR/X C并且本質(zhì)上是相同的數(shù)字，但應(yīng)該注意耗散因數(shù)通常表示為百分比，而不是簡(jiǎn)單的無量綱因數(shù)。Q 只是 Tan δ 或 X C /ESR的倒數(shù)。

　　圖 2：一個(gè)典型的電容器符號(hào)與包含非理想特性的原理圖形成對(duì)比，該原理圖被建模為集總元件。

　　英語

　　等效串聯(lián)電感來自器件引線的部分自感、由于器件引線在電路中的幾何形狀而形成的線圈等。在集總模型近似中，ESL 由理想電感器 (L esl ) 表示，如下所示與理想電容器串聯(lián)(C標(biāo)稱) 表示設(shè)備的標(biāo)稱電容值。ESL 與電容器選擇的相關(guān)性主要是它對(duì)交流響應(yīng)的影響。正如集總模型所暗示的那樣，現(xiàn)實(shí)世界中的電容器表現(xiàn)得像串聯(lián)連接的 LCR 電路。隨著施加的交流電壓頻率的增加，ESL 的感抗增加到一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)它等于設(shè)備的容抗，并且電容器表現(xiàn)為電阻器。在高于該點(diǎn)的頻率下，電容器實(shí)際上是一個(gè)電感器。

　　泄漏

　　泄漏被建模為與集總模型中的理想電容器并聯(lián)的相對(duì)較大值的電阻器。這是因?yàn)殡娙萜髦惺褂玫慕殡姴牧喜皇峭昝赖慕^緣體，并且在施加恒定電壓時(shí)允許一定量的直流電流通過電容器。泄漏與電容器選擇的相關(guān)性取決于應(yīng)用;它可能是微功率應(yīng)用中的功耗問題、精密模擬應(yīng)用中的誤差源或電源應(yīng)用中的可靠性/熱管理問題。

　　極化

　　極化是大多數(shù)電解電容器的非理想特性，它依賴于通過電化學(xué)作用形成的電介質(zhì)。向這種極性不正確的電容器施加電壓會(huì)導(dǎo)致用于創(chuàng)建電容器介電層的電化學(xué)過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)。這種電化學(xué)破壞介電層的過程會(huì)導(dǎo)致高于規(guī)定的泄漏電流，隨著變薄的介電層在施加電壓的壓力下開始擊穿而加劇。由于泄漏電流會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱，而溫度升高會(huì)導(dǎo)致泄漏電流增加，因此會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，當(dāng)(錯(cuò)誤)施加電壓的源阻抗較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)嚴(yán)重的災(zāi)難性故障。

　　介電吸收

　　電介質(zhì)吸收，也稱為“滲透”，是指電容器電介質(zhì)中的能量存儲(chǔ)，其吸收和釋放的時(shí)間比器件的標(biāo)稱電容和 ESR 預(yù)測(cè)的時(shí)間更長(zhǎng)。在集總元件模型中，它可以表示為與設(shè)備的標(biāo)稱電容并聯(lián)的電阻器和電容器(或其多個(gè)實(shí)例)的串聯(lián)連接。實(shí)際上，這意味著電容器在 DC 電勢(shì)下保持一段時(shí)間然后短暫放電似乎會(huì)在某種程度上自行充電。在不同的示例中，在放電曲線的快速變化部分，通過保持在直流電勢(shì)一段時(shí)間的電容器的電阻器的放電將通過通常的指數(shù)方程很好地建模。然而，在曲線的“長(zhǎng)尾”部分，電容器將提供比通常的 RC 放電方程預(yù)測(cè)的電流更高的電流。這種現(xiàn)象在精密模擬電路中可能會(huì)產(chǎn)生問題，但在高壓、高電容設(shè)備(例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的設(shè)備)的情況下會(huì)造成潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲(chǔ)存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害(燒傷或心臟驟停是兩種可能性)或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。這種現(xiàn)象在精密模擬電路中可能會(huì)產(chǎn)生問題，但在高壓、高電容設(shè)備(例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的設(shè)備)的情況下會(huì)造成潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲(chǔ)存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害(燒傷或心臟驟停是兩種可能性)或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。這種現(xiàn)象在精密模擬電路中可能會(huì)產(chǎn)生問題，但在高壓、高電容設(shè)備(例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的設(shè)備)的情況下會(huì)造成潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲(chǔ)存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害(燒傷或心臟驟停是兩種可能性)或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。高電容設(shè)備，例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的設(shè)備。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲(chǔ)存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害(燒傷或心臟驟停是兩種可能性)或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。高電容設(shè)備，例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的設(shè)備。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲(chǔ)存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害(燒傷或心臟驟停是兩種可能性)或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。有些能夠“自充電”到之前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害(燒傷或心臟驟停是兩種可能性)或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。有些能夠“自充電”到之前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害(燒傷或心臟驟停是兩種可能性)或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。

　　____ 對(duì) ____ 的依賴

　　在第一個(gè)空白處，插入任何感興趣的設(shè)備參數(shù);電容、ESR、ESL、泄漏、壽命等。在第二個(gè)插入大多數(shù)應(yīng)用參數(shù);溫度、電壓、頻率、時(shí)間等。兩者之間存在關(guān)系，取決于設(shè)備類型和結(jié)構(gòu)。有些關(guān)系不是特別牢固，通?？梢院雎圆挥?jì)，而另一些則比 800 磅重的大猩猩更強(qiáng)大，更不可忽略。因此，在選擇設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮此類關(guān)系的存在和相關(guān)性。

　　老化

　　一些電容器類型表現(xiàn)出其特性的顯著變化，這些變化在時(shí)間尺度上發(fā)生的時(shí)間比大多數(shù)感興趣的電信號(hào)長(zhǎng)得多，就像 Krispy Kreme? 甜甜圈離開油炸鍋后特性隨時(shí)間變化的方式。這可能會(huì)帶來設(shè)計(jì)、制造或校準(zhǔn)方面的問題;例如，剛從回流焊爐中取出時(shí)測(cè)試正常的設(shè)備可能在一周后不符合規(guī)格。

　　麥克風(fēng)/壓電效應(yīng)

　　回想一下，兩個(gè)平行板之間的電容方程是電極間距/電介質(zhì)厚度的強(qiáng)函數(shù);如果板之間的距離發(fā)生變化(例如通過施加機(jī)械力)，電容也會(huì)發(fā)生變化。如果電容發(fā)生變化但存儲(chǔ)的電荷量保持不變，則電容器端子兩端的電壓變化與電容變化成反比。結(jié)果是電容器提供了機(jī)械和電氣領(lǐng)域之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制，通常稱為麥克風(fēng)效應(yīng)，因?yàn)樗c舞臺(tái)表演、便攜式電子設(shè)備等中使用的那種音頻麥克風(fēng)相似/應(yīng)用。這種效果對(duì)這些非常有用應(yīng)用程序，但當(dāng)它導(dǎo)致機(jī)械信號(hào)意外耦合到電路中，成為噪聲源或更糟糕的是，意外的反饋路徑時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)問題。轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制也是雙向的;在電容器的端子上施加電壓會(huì)導(dǎo)致機(jī)械力施加到電極上，這些機(jī)械力又可以機(jī)械耦合到周圍環(huán)境中，例如作為可聞噪聲。盡管由于靜電力(“靜電吸附”背后的現(xiàn)象)而存在于所有電容器中，但它在包含壓電介電材料的設(shè)備中最為明顯。此類材料會(huì)響應(yīng)機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電荷，并且在另一個(gè)方向上，在受到電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生機(jī)械變形。

　　圖 3：突出顯示電容器用作音頻/機(jī)械換能器的能力的插圖。

　　電容器的失效機(jī)制

　　電容器(像所有其他人類發(fā)明一樣)最終會(huì)失敗，無論是參數(shù)化還是災(zāi)難性的。參數(shù)故障是指設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行但已緩慢降級(jí)到不再滿足性能規(guī)格的程度。另一方面，災(zāi)難性故障的特點(diǎn)是設(shè)備特性突然發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致不合規(guī)格的行為，其中可能包括自拆卸、燃燒、白熾等。

　　介電擊穿

　　電介質(zhì)擊穿失效是一種電氣條件，其中電介質(zhì)材料的絕緣特性無法將泄漏電流保持在指定水平以下。通常由于施加超過設(shè)備額定限值的電壓或在指定的熱限值之外運(yùn)行，介電擊穿導(dǎo)致的故障往往是自加重的低阻抗(短路)故障。因此，它們通常很壯觀，盡管某些類型的電容器能夠從容地承受輕微的電介質(zhì)擊穿事件。由于電介質(zhì)擊穿和熱故障既可以是原因也可以是結(jié)果，因此有時(shí)很難將故障事件歸類為其中之一。

　　熱的

　　熱故障是由于設(shè)備溫度過高而發(fā)生的故障。在溫度過高導(dǎo)致介質(zhì)擊穿事件的情況下，它們通常是短路故障。熱故障也可以被認(rèn)為是一種長(zhǎng)期現(xiàn)象，即在高溫下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致設(shè)備參數(shù)變化超出允許的限度。

　　機(jī)械的

　　機(jī)械故障是指設(shè)備的物理損壞是故障的直接原因，并且可能表現(xiàn)為參數(shù)超出規(guī)格、短路或開路。陶瓷電容器經(jīng)常遇到的機(jī)械故障通常是在制造和組裝過程中引起的，但也可能由于濫用或機(jī)械設(shè)計(jì)不當(dāng)而在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生。

　　常見的通用電容規(guī)格有哪些

　　額定電壓

　　電容器的額定電壓表示應(yīng)施加到設(shè)備的最大電壓。評(píng)級(jí)的背景很重要;在某些情況下，它可能表示最大安全工作電壓，在其他情況下，它可能更類似于半導(dǎo)體的“絕對(duì)最大”額定值，應(yīng)對(duì)其應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕殿~系數(shù)。

　　寬容

　　電容器的公差描述了器件在指定測(cè)試條件下(尤其是交流測(cè)試電壓和頻率)下應(yīng)表現(xiàn)出的與標(biāo)稱電容值的偏差極限。引用的公差數(shù)字包括由于制造中的可變性而與標(biāo)稱值的穩(wěn)態(tài)偏差，并且可能(在極少數(shù)情況下)還包括在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)由溫度引起的電容值變化。應(yīng)該注意的是，測(cè)試條件(溫度、頻率、振幅和測(cè)試電壓的直流偏置值等)通常對(duì)觀察到的器件參數(shù)有很大影響。

　　安全等級(jí)

　　設(shè)計(jì)用于故障可能對(duì)人身或財(cái)產(chǎn)安全造成風(fēng)險(xiǎn)的電容器(通常涉及交流線路電壓)指定字母數(shù)字安全等級(jí)，例如 X1、X2、Y1、Y2 等，根據(jù)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。 “X”級(jí)設(shè)備經(jīng)過認(rèn)證，適用于故障預(yù)計(jì)不會(huì)造成電擊危險(xiǎn)的應(yīng)用，例如“線到線”應(yīng)用，而“Y”級(jí)設(shè)備經(jīng)過認(rèn)證，適用于故障會(huì)造成電擊危險(xiǎn)的應(yīng)用，例如“線到地”的應(yīng)用。名稱中的數(shù)字表示對(duì)浪涌電壓的耐受水平，如 IEC 60384-14 等適用監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定。設(shè)備還可能帶有多個(gè)安全等級(jí)，表明它們?cè)诓煌闆r下使用的認(rèn)證;例如，具有 X1Y2 安全等級(jí)的電容器可用于需要 X1 等級(jí)以及需要 Y2 等級(jí)的應(yīng)用。

　　電介質(zhì)/電極型

　　電容器的區(qū)別在于其結(jié)構(gòu)中使用的材料，在某種程度上還在于其操作機(jī)制?！疤沾伞彪娙萜骼缡褂锰沾刹牧献鳛殡娊橘|(zhì);“鋁電解”電容器是使用鋁電極和電解質(zhì)溶液等形成的。在一般電容器類型中，特別是在陶瓷電容器類型中，通常會(huì)對(duì)介電特性(以及因此的器件性能特性)進(jìn)行進(jìn)一步規(guī)范。需要注意的一個(gè)常見區(qū)別是電解電容器和非電解電容器類型之間的區(qū)別。電解電容器使用電化學(xué)就地形成的介電材料，通常通過氧化電極材料的表面，而非電解(通常稱為“靜電”電容器)使用的介電材料通常是通過各種機(jī)械過程形成的，而不是電極材料本身的化學(xué)衍生物。這種區(qū)別是有用的，因?yàn)檫@兩種設(shè)備類別本身具有共同的一般特征，允許人們簡(jiǎn)單地通過識(shí)別它是否是電解類型來粗略預(yù)測(cè)給定設(shè)備的質(zhì)量和應(yīng)用適用性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解設(shè)備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對(duì)昂貴，低損耗，并且除了少數(shù)值得注意的例外，表現(xiàn)出一般到出色的參數(shù)穩(wěn)定性。這種區(qū)別是有用的，因?yàn)檫@兩種設(shè)備類別本身具有共同的一般特征，允許人們通過識(shí)別它是否是電解類型來粗略預(yù)測(cè)給定設(shè)備的質(zhì)量和應(yīng)用適用性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解設(shè)備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對(duì)昂貴，低損耗，并且除了少數(shù)值得注意的例外，表現(xiàn)出一般到出色的參數(shù)穩(wěn)定性。這種區(qū)別是有用的，因?yàn)檫@兩種設(shè)備類別本身具有共同的一般特征，允許人們通過識(shí)別它是否是電解類型來粗略預(yù)測(cè)給定設(shè)備的質(zhì)量和應(yīng)用適用性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解設(shè)備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對(duì)昂貴，低損耗，并且除了少數(shù)值得注意的例外，表現(xiàn)出一般到出色的參數(shù)穩(wěn)定性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解設(shè)備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對(duì)昂貴，低損耗，并且除了少數(shù)值得注意的例外，表現(xiàn)出一般到出色的參數(shù)穩(wěn)定性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解設(shè)備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對(duì)昂貴，低損耗，并且除了少數(shù)值得注意的例外，表現(xiàn)出一般到出色的參數(shù)穩(wěn)定性。

　　工作溫度范圍

　　電容器的(工作)溫度范圍表示設(shè)備合格使用的溫度范圍。當(dāng)單獨(dú)指定時(shí)，存儲(chǔ)溫度范圍是在非活動(dòng)狀態(tài)下存儲(chǔ)不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞或在正常溫度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致不可逆參數(shù)變化的溫度范圍。對(duì)于未組裝的設(shè)備，可能會(huì)制定有關(guān)存儲(chǔ)的進(jìn)一步(更嚴(yán)格的)環(huán)境規(guī)范，以確保鉛飾面材料不會(huì)降解到會(huì)妨礙正確組裝的程度。與大多數(shù)其他合格參數(shù)不同，在設(shè)備指定的溫度范圍之外(特別是在較低溫度下)操作通常是可能的，前提是已做出規(guī)定以考慮由此產(chǎn)生的參數(shù)變化，并且溫度偏移不會(huì)對(duì)設(shè)備造成機(jī)械損壞。由于存在與溫度相關(guān)的磨損和故障機(jī)制，在高于設(shè)備額定極限的溫度下運(yùn)行更加危險(xiǎn)，但在設(shè)備壽命不是重要問題的情況下通常是可能的。然而，這種不合規(guī)范的操作由設(shè)計(jì)人員承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，并且需要在設(shè)備鑒定中給予應(yīng)有的注意。

　　紋波電流額定值

　　電容器的紋波電流額定值表示應(yīng)允許通過電容器的最大交流電流。由于流過電容器的電流會(huì)由于歐姆和介電損耗而導(dǎo)致自熱，因此給定設(shè)備可以承受的電流量是有限的，并且會(huì)受到環(huán)境條件的影響。

　　壽命

　　許多電容器，尤其是鋁電容器，具有很強(qiáng)的磨損機(jī)制，限制了它們的使用壽命。壽命規(guī)格是指設(shè)備在特定操作條件下的預(yù)期使用壽命。請(qǐng)注意，使用壽命的定義可能有所不同;一個(gè)常見的定義是在指定條件(通常接近額定最大值)下的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，在該條件下，預(yù)計(jì) 50% 的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備會(huì)發(fā)生故障。有些規(guī)范更嚴(yán)格，有些可能更寬松。

　　軍用、高可靠性、既定可靠性

　　對(duì)于不能容忍設(shè)備故障的應(yīng)用，可以使用根據(jù)定義的協(xié)議生產(chǎn)和測(cè)試的電容器，以提供設(shè)備可靠性的統(tǒng)計(jì)保證。特別敏感的應(yīng)用程序通常要求通過記錄的渠道采購組件，這允許通過生產(chǎn)過程追溯給定組件的來源，以確保設(shè)備完整性并在發(fā)生故障時(shí)促進(jìn)根本原因分析。在撰寫本文時(shí)，MIL-HDBK-217F 通知 2 是使用最廣泛的電子設(shè)備可靠性預(yù)測(cè)指南，盡管 Telcordia 制定的程序也得到廣泛使用，尤其是在電信行業(yè)。

　　封裝和安裝類型

　　與大多數(shù)電子元件一樣，電容器有多種封裝和安裝類型。器件特性和常見應(yīng)用限制會(huì)影響可用選項(xiàng)，其中可能包括表面貼裝器件、軸向和徑向引線通孔類型以及底盤安裝類型。

　　什么是鋁電容器?

　　鋁電容器是屬于“電解”電容器的一系列設(shè)備。因此，它們以相對(duì)較低的成本在小型封裝中提供高電容值。為了換取這些理想的品質(zhì)，它們的電氣性能和使用壽命往往相對(duì)較差。盡管除了最野蠻的信號(hào)相關(guān)應(yīng)用外，鋁電容器不適合所有應(yīng)用，但鋁電容器是直流電源相關(guān)功能的主要產(chǎn)品。提供三種不同的類型;標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器，該主題的雙極變體，以及包含導(dǎo)電聚合物電極的新型電容器。將該系列稱為“鋁電容器”而不是“鋁電解電容器”是對(duì)后一種不包含傳統(tǒng)液體電解質(zhì)的設(shè)備類型的提示。

　　圖 4：不同封裝樣式的鋁電容器。LR、表面貼裝、通孔和底盤貼裝。(不按比例)

　　裝置構(gòu)造

　　標(biāo)準(zhǔn)的鋁電解電容器由兩片高純度鋁箔組成，由間隔材料(例如用電解質(zhì)溶液浸透的紙)交錯(cuò)和分隔。這些箔片通常在微觀水平上被蝕刻，將其有效表面積增加多達(dá)數(shù)百倍，如果箔片保持光滑。在其中一個(gè)箔片(在標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器中)上形成一層氧化鋁，通過含氧電解質(zhì)溶液向箔片施加電壓，用作電容器的介電材料。這樣做會(huì)導(dǎo)致電解液中的氧氣與鋁箔表面結(jié)合，形成氧化層，其厚度與形成過程中施加的電壓成正比，并由要生產(chǎn)的電容器的預(yù)期工作電壓確定。通常，該氧化層的厚度約為 1 微米或 0.00004 英寸。下面的未氧化金屬形成鋁電解電容器的電極之一。另一個(gè)電極不是第二張箔，而是電解質(zhì)溶液。在標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器中，第二層箔片沒有特意形成的氧化層，只是用于與電解質(zhì)進(jìn)行電接觸，因?yàn)楹茈y將液體焊接到電路板上......在雙極電容器中，氧化層形成在兩個(gè)鋁板上，從而形成一個(gè)實(shí)際上是兩個(gè)反向串聯(lián)連接的電容器的裝置。因?yàn)殡娊赓|(zhì)是液體(鋁聚合物電容器除外，如果它是導(dǎo)電聚合物材料)，它能夠符合蝕刻和氧化箔片的微觀結(jié)構(gòu)，從而在電容器的兩個(gè)電極之間形成大面積。由于介電材料(氧化鋁)非常薄，因此最終結(jié)果是具有高值的電容器;根據(jù)基本電容器方程，電容的增加與電極面積成正比，與電極分離距離/電介質(zhì)厚度成反比。將導(dǎo)線連接到箔片上，將組件纏繞、折疊或以其他方式成型以裝入容器(通常也由鋁制成)中，然后使用橡膠密封塞密封組件。由于故障條件會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，因此大多數(shù)鋁電容器還包括以相對(duì)安全的方式排放此類壓力的措施。專用機(jī)構(gòu)通常用于大型設(shè)備中的此目的，而較小的設(shè)備通過仔細(xì)設(shè)計(jì)橡膠密封塞和/或容器刻痕來實(shí)現(xiàn)保護(hù)性排氣功能，以便在內(nèi)部壓力過大時(shí)以相對(duì)受控的方式破裂. 包括標(biāo)準(zhǔn)、雙極和聚合物類型。

　　可用電容和電壓范圍

　　圖 5：在撰寫本文時(shí) Digi-Key 提供的鋁電容器的電壓/電容額定值范圍示意圖。

　　應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

　　鋁電容器的主要優(yōu)勢(shì)在于它們能夠以較小的封裝提供較大的電容值，而且成本相對(duì)較低。此外，它們往往具有良好的自我修復(fù)特性;當(dāng)氧化鋁介電層中出現(xiàn)局部薄弱點(diǎn)時(shí)，流過介電層薄弱點(diǎn)的漏電流增加會(huì)引起類似于介電層初始形成過程中使用的化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致介電層變厚薄弱點(diǎn)，以及隨之而來的泄漏電流的減少。鋁電容器的缺點(diǎn)主要與 (a) 結(jié)構(gòu)中所用材料的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)，(b) 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性能，以及 (c) 液體電解質(zhì)的揮發(fā)性有關(guān)。鋁電容器所用材料的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)在兩點(diǎn)上存在問題;介電層的穩(wěn)定性和設(shè)備的長(zhǎng)期機(jī)械完整性。由于這些器件中的氧化鋁介電層是通過電化學(xué)過程形成的，因此它也可以通過簡(jiǎn)單地通過反轉(zhuǎn)施加的電壓而被電化學(xué)過程腐蝕。這就是為什么大多數(shù)鋁電容器都是極化的。施加錯(cuò)誤極性的電壓會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)快速腐蝕和變薄，從而導(dǎo)致高漏電流和內(nèi)部過熱。從機(jī)械完整性的角度來看，將高活性金屬(鋁)與腐蝕性電解質(zhì)溶液混合是一個(gè)微妙的提議;電解質(zhì)成分的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致過早失效，正如 2000 年代初的“電容器瘟疫”所證明的那樣。鋁電解電容器的另一個(gè)缺點(diǎn)是所使用的電解質(zhì)不是特別有效的導(dǎo)體，因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液中的傳導(dǎo)是通過離子而非電子傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。不是松散的電子在充當(dāng)電荷載體的原子之間移動(dòng)，而是離子(由于電子過?；虿蛔愣鴰в须姾傻脑踊蛐〗M)在整個(gè)溶液中移動(dòng)。由于離子比電子體積大，因此它們不容易移動(dòng)，因此離子傳導(dǎo)通常比電子傳導(dǎo)具有更高的電阻。這種情況的程度受溫度的顯著影響;溫度越低，電解質(zhì)溶液中的離子越難在溶液中移動(dòng)，這轉(zhuǎn)化為更高的電阻。因此，電解電容器往往具有相對(duì)較高的 ESR，與溫度呈強(qiáng)烈的反相關(guān)性。鋁電容器的第三個(gè)主要缺點(diǎn)(固體聚合物類型除外)是液體電解質(zhì)溶液會(huì)隨著時(shí)間的推移蒸發(fā)，最終通過橡膠密封塞擴(kuò)散到大氣中，安全通風(fēng)結(jié)構(gòu)泄漏，或類似的現(xiàn)象。

　　常見用途和應(yīng)用

　　當(dāng)交流性能和參數(shù)隨時(shí)間的穩(wěn)定性不是特別重要時(shí)，鋁電容器主要用于需要相對(duì)大值、低成本電容器的直流電源應(yīng)用。此類應(yīng)用包括電源應(yīng)用中整流交流線路電壓的批量濾波和低頻開關(guān)電源中的輸出濾波等。由于其相對(duì)較高的 ESR 與其較大的標(biāo)稱電容串聯(lián)形成的時(shí)間常數(shù)，鋁電容器作為當(dāng)紋波頻率接近 100 kHz 時(shí)，類別往往會(huì)很快失去吸引力。盡管設(shè)備優(yōu)化差異很大，并且任何給定設(shè)備的有用頻率限制可能低至幾 kHz 到 1MHz。

　　常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　電解質(zhì)流失

　　大多數(shù)鋁電容器中的液體電解質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而蒸發(fā)，導(dǎo)致 ESR 增加和電容減小。這是一種磨損機(jī)制，通常是鋁電解電容器使用壽命的限制因素。時(shí)鐘在設(shè)備制造后立即啟動(dòng)并且不會(huì)停止，盡管應(yīng)用和存儲(chǔ)條件會(huì)影響指針移動(dòng)的速率。溫度是決定電解質(zhì)損失速率的主要因素，阿倫尼烏斯方程對(duì)此進(jìn)行了很好的描述，該方程粗略預(yù)測(cè)溫度每變化 10°C，過程速率將發(fā)生兩倍的變化。換句話說，在所有其他因素相同的情況下，將電解電容器的溫度降低 10°C 可使其預(yù)期使用壽命大致翻倍。電解質(zhì)損失也受大氣壓力的影響，較低的壓力導(dǎo)致電解質(zhì)損失加速。極端低壓環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致并非為此類環(huán)境設(shè)計(jì)的設(shè)備發(fā)生外殼破裂或安全通風(fēng)口打開，導(dǎo)致故障比在較高環(huán)境壓力下發(fā)生的故障要早得多。當(dāng)根據(jù) Arrhenius 關(guān)系和制造商規(guī)定的壽命規(guī)格估算電容器壽命時(shí)，必須考慮紋波電流引起的自熱;電容器的內(nèi)部溫度是感興趣的量，而不僅僅是應(yīng)用的環(huán)境溫度。對(duì)于高海拔或低壓操作，請(qǐng)咨詢制造商的規(guī)格，因?yàn)橐?guī)定的使用壽命需要降額，在環(huán)境壓力下降至零，在該環(huán)境壓力下，電解質(zhì)的蒸汽壓力與外部環(huán)境壓力之間的差異將導(dǎo)致電容器的安全通風(fēng)口打開。請(qǐng)注意，蒸氣壓通常隨溫度升高而增加，從而導(dǎo)致在工作溫度和最大允許工作高度之間進(jìn)行權(quán)衡。

　　電解液故障

　　不正確的電解質(zhì)配方會(huì)導(dǎo)致鋁電容器內(nèi)部組件快速腐蝕和/或氣體壓力升高，從而導(dǎo)致過早失效。據(jù)報(bào)道，這種機(jī)制是造成 2000 年代初期許多消費(fèi)電子設(shè)備中鋁電解電容器普遍過早失效的原因。除了獨(dú)立測(cè)試和評(píng)估之外，避免此問題(已證明對(duì)許多公司而言成本極高)的最佳方法是僅從信譽(yù)良好的制造商處直接或通過制造商授權(quán)的經(jīng)銷商購買產(chǎn)品。從有問題的來源購買廉價(jià)電子元件很像凌晨 2 點(diǎn)在城鎮(zhèn)貧民區(qū)的街角從陌生人那里購買裝在塑料袋里的藥品……不要這樣做。

　　電壓過載

　　當(dāng)施加在鋁電解電容器上的電壓超過規(guī)定限值時(shí)，通過氧化鋁介電層的漏電流會(huì)迅速增加，從介電材料內(nèi)的局部“薄”點(diǎn)開始。漏電流的增加導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)的局部加熱增加。如果不限制漏電流，增加的局部加熱會(huì)導(dǎo)致介電層進(jìn)一步損壞，從而導(dǎo)致介電材料的級(jí)聯(lián)故障和電容器的破壞。

　　電流過載

　　鋁電解電容器通常具有相對(duì)較大的 ESR 值，這主要是由于電解質(zhì)溶液的電阻率。流過該電阻的交流電流會(huì)導(dǎo)致歐姆加熱，從而導(dǎo)致電解質(zhì)流失并增加電介質(zhì)擊穿事件的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該注意的是，鋁電解電容器的表觀電容與頻率有關(guān)。因此，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用中存在的紋波頻率來解釋制造商提供的紋波電流規(guī)格。鋁電解電容器的最大紋波電流值通常在 120Hz 和 100kHz 時(shí)引用，因此在選擇設(shè)備時(shí)不僅要注意引用的紋波電流值，還要注意引用該值的測(cè)試頻率。

　　老化引起的電壓過應(yīng)力

　　由于電介質(zhì)形成過程的電化學(xué)性質(zhì)，在零施加電壓下長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存會(huì)導(dǎo)致氧化鋁電介質(zhì)層退化。隨著電介質(zhì)減弱，即使施加的電壓可能在器件的額定限值內(nèi)，也會(huì)出現(xiàn)電壓過應(yīng)力情況。在輕微的情況下，唯一的癥狀可能是漏電流增加和設(shè)備溫度升高一段時(shí)間，直到設(shè)備自我修復(fù)。在嚴(yán)重退化的電介質(zhì)上通過低源阻抗施加最大額定電壓的嚴(yán)重情況下，設(shè)備可能會(huì)發(fā)生短路故障并以驚人的方式破裂。雖然已經(jīng)并將繼續(xù)開發(fā)解決該問題的電解質(zhì)配方，但不同產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性差異很大，有些電池在放電狀態(tài)下僅儲(chǔ)存 1 至 3 年后就會(huì)發(fā)生可測(cè)量的退化。在設(shè)計(jì)可能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)的應(yīng)用程序時(shí)，建議對(duì)設(shè)備進(jìn)行適度的電壓降額，以提高針對(duì)這種影響的安全裕度。還建議使用專門設(shè)計(jì)用于防止存儲(chǔ)退化的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試的情況下，對(duì)萎縮的鋁電解電容器通常規(guī)定的處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。這樣做之前，請(qǐng)確認(rèn)設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。在設(shè)計(jì)可能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)的應(yīng)用程序時(shí)，建議對(duì)設(shè)備進(jìn)行適度的電壓降額，以提高針對(duì)這種影響的安全裕度。還建議使用專門設(shè)計(jì)用于防止存儲(chǔ)退化的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試的情況下，對(duì)萎縮的鋁電解電容器通常規(guī)定的處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。這樣做之前，請(qǐng)確認(rèn)設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。在設(shè)計(jì)可能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)的應(yīng)用程序時(shí)，建議對(duì)設(shè)備進(jìn)行適度的電壓降額，以提高針對(duì)這種影響的安全裕度。還建議使用專門設(shè)計(jì)用于防止存儲(chǔ)退化的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試的情況下，對(duì)萎縮的鋁電解電容器通常規(guī)定的處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。這樣做之前，請(qǐng)確認(rèn)設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。還建議使用專門設(shè)計(jì)用于防止存儲(chǔ)退化的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試的情況下，對(duì)萎縮的鋁電解電容器通常規(guī)定的處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。這樣做之前，請(qǐng)確認(rèn)設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。還建議使用專門設(shè)計(jì)用于防止存儲(chǔ)退化的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試的情況下，對(duì)萎縮的鋁電解電容器通常規(guī)定的處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。這樣做之前，請(qǐng)確認(rèn)設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。

　　設(shè)備特性、選項(xiàng)和目標(biāo)應(yīng)用

　　聲音的

　　用于音頻應(yīng)用的鋁電解電容器通常是低 ESR 類型，其結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)折衷可能會(huì)偏向于電氣性能和參數(shù)穩(wěn)定性，但會(huì)犧牲尺寸和成本等因素。然而，應(yīng)該指出的是，音頻領(lǐng)域充斥著主觀主義和旨在將傻瓜從他們的錢中分離出來的營銷，并且這種影響甚至滲透到組件級(jí)別。如果電容A的標(biāo)簽更漂亮，價(jià)格是電容B的十倍，那么顯然電容A更好，對(duì)吧?不必要。檢查規(guī)格，了解哪些對(duì)手頭的應(yīng)用很重要，然后選擇最能滿足應(yīng)用要求的設(shè)備。除非你正在制造一些東西來賣給那些愿意在“定向”揚(yáng)聲器電纜上花費(fèi)數(shù)百或數(shù)千美元的人。在這種情況下，選擇任何能為您提供最物有所值的東西……

　　汽車

　　以汽車應(yīng)用為重點(diǎn)的設(shè)備通常設(shè)計(jì)為具有較長(zhǎng)的使用壽命，并且可以在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，至少擴(kuò)展到 105°C。大多數(shù)都符合 AEC(汽車電子委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)。

　　雙極

　　雙極電解電容器旨在通過在標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器中使用的兩個(gè)鋁箔片上形成氧化膜，而不是僅在一個(gè)鋁箔片上形成氧化膜，從而在施加改變極性的電壓時(shí)無損壞地運(yùn)行。由于此類設(shè)備的高 ESR，它們通常被認(rèn)為不適合在連續(xù)施加交流電壓的情況下運(yùn)行，因此有時(shí)被稱為“無極性直流電容器”以強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。它們的使用通常僅限于直流應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，要施加的極性不確定，可能偶爾會(huì)在瞬態(tài)基礎(chǔ)上反轉(zhuǎn)，或者流過設(shè)備的電流可以限制在不會(huì)導(dǎo)致過度自熱的值。

　　一般用途

　　“通用”是對(duì)未明確設(shè)計(jì)用于解決特定應(yīng)用類別且在其結(jié)構(gòu)中沒有主要區(qū)別特征的設(shè)備的統(tǒng)稱。

　　高溫回流焊

　　指定為“高溫回流”類型的設(shè)備設(shè)計(jì)并符合在制造過程中遇到較高工藝溫度的應(yīng)用的要求，這在無鉛/符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)的回流焊接操作中很常見。

　　電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

　　具有此名稱的鋁電解電容器專為連續(xù)工作、高紋波應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)和逆變器應(yīng)用。

　　電機(jī)啟動(dòng)

　　具有此名稱的鋁電解電容器通常設(shè)計(jì)用于交流電機(jī)啟動(dòng)應(yīng)用。通常它們是雙極的，額定電壓為數(shù)百伏，并且具有幾十到幾千 uF 之間的值。

　　聚合物

　　該名稱與使用固體導(dǎo)電聚合物而不是液體電解質(zhì)作為電解質(zhì)材料的鋁電解電容器有關(guān)。通常，與同類液體電解質(zhì)設(shè)備相比，它們?cè)诟邷叵卤憩F(xiàn)出更好的穩(wěn)定性、更低的 ESR 和更長(zhǎng)的使用壽命，盡管可用性受限于相對(duì)較低的電容和電壓額定值，并且給定電容和電壓額定值的設(shè)備成本明顯高于類似的液體電解質(zhì)類型。

　　不銹鋼外殼

　　具有此名稱的設(shè)備設(shè)計(jì)有堅(jiān)固的不銹鋼外殼，能夠承受電容器內(nèi)外之間高于典型的壓差。這允許在比大多數(shù)其他設(shè)備更低的大氣壓力下運(yùn)行，并且由于能夠減少電解質(zhì)損失而允許更長(zhǎng)的預(yù)期使用壽命。通常，這些設(shè)備也相當(dāng)昂貴。

　　什么是陶瓷電容?

　　陶瓷電容器是靜電設(shè)備，其特點(diǎn)是使用各種陶瓷介電材料，這些材料通常基于鈦酸鋇 (BaTiO 3 )。它們是非極化的，具有涵蓋大部分?jǐn)?shù)量-質(zhì)量范圍的特征，可能略微偏向質(zhì)量。結(jié)構(gòu)和介電特性的許多變化可用于滿足不同的應(yīng)用需求，這種廣泛的適用性和相對(duì)較低的成本結(jié)構(gòu)使陶瓷電容器成為當(dāng)前使用的最流行的電容器類型，以銷售的設(shè)備數(shù)量計(jì)算。

　　裝置構(gòu)造

　　圖 6：左：多層陶瓷片式電容器 (MLCC);右圖：通孔圓盤電容器。

　　早期的設(shè)備構(gòu)造為兩個(gè)金屬電極之間的單層陶瓷介電材料(通常為圓形)。引線固定在金屬電極上，組件封裝在絕緣材料中，通常是陶瓷或環(huán)氧樹脂。雖然這種結(jié)構(gòu)類型仍然存在于用于交流線路或高壓應(yīng)用的設(shè)備中，但很少有基于這種結(jié)構(gòu)方法的設(shè)備適用于表面安裝，這限制了它們?cè)谠S多應(yīng)用中的吸引力。如今更為常見的是多層陶瓷片式電容器 (MLCC)，它們使用交替、交錯(cuò)的電極和介電材料薄層，以在較小的總封裝體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的電極表面積。這種設(shè)備是通過擠壓未燒制的陶瓷“粘土”薄片制成的，在粘土上通過類似于絲網(wǎng)印刷的工藝沉積細(xì)碎形式的電極材料。許多這樣的“片”被堆疊并壓在一起以形成所需數(shù)量的電極層，切割成單獨(dú)的電容器，并在高溫烘箱中燒制以硬化陶瓷介電材料并熔化電極金屬中的顆粒。然后進(jìn)行端接，通過最終檢查的設(shè)備將被打包發(fā)貨。并在高溫烘箱中燒制，使陶瓷介電材料硬化并熔合電極金屬中的顆粒。然后進(jìn)行端接，通過最終檢查的設(shè)備將被打包發(fā)貨。并在高溫烘箱中燒制，使陶瓷介電材料硬化并熔合電極金屬中的顆粒。然后進(jìn)行端接，通過最終檢查的設(shè)備將被打包發(fā)貨。

　　圖 7：簡(jiǎn)化的 MLCC 生產(chǎn)過程。(來源：維基共享資源)

　　可用電容和電壓范圍：

　　圖 8：在撰寫本文時(shí) Digi-Key 提供的陶瓷電容器電壓/電容組合范圍示意圖。

　　應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

　　陶瓷電容器(尤其是 MLCC)因其多功能性、經(jīng)濟(jì)性、耐用性和普遍良好的電氣特性而受到廣泛青睞。在它們的應(yīng)用領(lǐng)域重疊的地方，陶瓷電容器通常相對(duì)于用于大功率處理的其他類型(鋁、鉭等)具有有利的特性，而相對(duì)于薄膜或其他使用的具有最大穩(wěn)定性和精度的類型，陶瓷電容器的特性稍差必需的。陶瓷電容器的多功能性反映在可用值的范圍內(nèi)，如圖 8 所示，其電容值跨越約 9 個(gè)數(shù)量級(jí)，電壓值跨越 4 個(gè)數(shù)量級(jí);跨越如此廣度的技術(shù)并不多。在大多數(shù)情況下，陶瓷電容器結(jié)構(gòu)中使用的原材料并不是特別昂貴并且得到有效利用，雖然需要高度的精度和過程控制，但基本的制造過程并不復(fù)雜。總之，這些屬性使 MLCC 每年可以生產(chǎn)數(shù)十億個(gè)，通常單位成本不到一美分。從應(yīng)用程序的角度來看，它們非常適合長(zhǎng)期存在的應(yīng)用程序;它們本質(zhì)上是一層耐用材料(金屬和陶瓷)，沒有很強(qiáng)的磨損機(jī)制，沒有對(duì)溫度、壓力或電壓反轉(zhuǎn)的嚴(yán)重脆弱性，也沒有電解設(shè)備經(jīng)常遇到的泄漏、燃燒或毒性風(fēng)險(xiǎn)。由于它們不像電解裝置那樣依賴于相對(duì)高電阻的電解質(zhì)溶液來運(yùn)行，因此陶瓷電容器的 ESR 往往很低，并且它們的內(nèi)部幾何形狀(和短引線長(zhǎng)度，在 MLCC 的情況下)使電路板布局在許多情況下成為 ESL 的主要貢獻(xiàn)者。陶瓷電容器的應(yīng)用弱點(diǎn)包括機(jī)械脆弱性、缺乏自愈能力、高電容值的成本以及參數(shù)對(duì)環(huán)境和電氣操作條件的不同程度依賴性，具體取決于陶瓷介電材料的具體配方。與大多數(shù)陶瓷物體一樣，陶瓷電容器非常脆且不靈活。因此，它們很容易因機(jī)械應(yīng)力或熱沖擊而損壞，因此需要在最終產(chǎn)品的組裝和服務(wù)過程中小心緩解這些因素。陶瓷電容器相對(duì)惰性的“鋼石”結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是不存在自愈機(jī)制。導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿的應(yīng)力往往會(huì)對(duì)設(shè)備造成無法恢復(fù)的損壞，因此必須建立實(shí)質(zhì)性安全因素作為額外的電介質(zhì)厚度，因?yàn)殡娊橘|(zhì)中的薄弱點(diǎn)在生產(chǎn)過程中不容易“燒掉”。這導(dǎo)致陶瓷電容器的每法拉成本相對(duì)較高(與電解類型相比)，并且隨著設(shè)備尺寸的增加機(jī)械損壞的風(fēng)險(xiǎn)增加，導(dǎo)致值超過幾十微法的陶瓷電容器的吸引力/可用性降低。最后，許多陶瓷電介質(zhì)配方在參數(shù)上不穩(wěn)定或與溫度和介電應(yīng)力呈線性關(guān)系，通常與其介電常數(shù)成正比。最后，

　　重要的設(shè)計(jì)考慮

　　溫度特性和介電分類

　　許多陶瓷介電材料被廣泛使用，并且在體積效率、溫度依賴性、損耗特性和其他非理想行為方面差異很大。不同的設(shè)備根據(jù)其溫度特性進(jìn)行分類，EIA(電子工業(yè)協(xié)會(huì))和 IEC(國際電工委員會(huì))以及美國軍方和其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)多年來建立了不同的分界線和識(shí)別系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的共同點(diǎn)是電容質(zhì)量和數(shù)量之間的區(qū)別;用于精密模擬和諧振電路應(yīng)用的低損耗/高穩(wěn)定性/溫度線性類型與以較差的穩(wěn)定性和線性度為代價(jià)提供高單位體積電容的類型不同。IEC 標(biāo)準(zhǔn)將針對(duì)電容質(zhì)量和電容數(shù)量設(shè)計(jì)的電介質(zhì)分別指定為 1 類和 2 類。與 IEC 標(biāo)準(zhǔn)一樣，EIA 標(biāo)準(zhǔn)將以質(zhì)量為中心的電介質(zhì)指定為 I 類(羅馬數(shù)字，并不總是使用)，盡管它將 IEC 2 類設(shè)備細(xì)分為 EIA II 類和 III 類。EIA II 類設(shè)備是那些在溫度參數(shù)穩(wěn)定性方面保持一定程度的設(shè)備(+/- 15% 或在規(guī)定范圍內(nèi)更好，通常為 -50°C 至 85°C 或更高)，而 EIA III 類設(shè)備為了追求體積效率，電介質(zhì)放棄了所有溫度穩(wěn)定性的偽裝，在更窄的溫度范圍內(nèi)具有更寬的參數(shù)變化;+10° 至 +85°C 范圍內(nèi)的 +22%/-56% 或 -30°C 至 +85°C 范圍內(nèi)的 +22%/-82% 是常見的 III 類限制。圖 9 以圖形方式說明了該現(xiàn)象，

　　圖 9：幾種不同介電類別的陶瓷電容器的典型電容變化與溫度的函數(shù)關(guān)系。(來源數(shù)據(jù)：AVX 表面貼裝陶瓷電容器產(chǎn)品目錄，v13.10)

　　每個(gè)通用電介質(zhì)類別都有各種電介質(zhì)配方，在 1 類電介質(zhì)的情況下按電容溫度系數(shù)分類，在其他設(shè)備類別中按指定溫度范圍內(nèi)電容變化的限制進(jìn)行分類。圖 9A 的表格中顯示了一些分類方案的“秘密解碼器環(huán)”。采用 IEC 1 類(EIA I 類)電介質(zhì)的 MLCC 設(shè)計(jì)具有受控的指定電容溫度系數(shù);這些設(shè)備的電容是溫度的線性函數(shù)。EIA I 類設(shè)備的介電分類表明了該線的斜率和所述斜率的公差。相比之下，II 類和 III 類陶瓷的介電分類指示兩個(gè)量的外部邊界：1) 作為溫度函數(shù)的電容變化，以相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溫度(通常為 25°C)下值的百分比表示，以及 2) 邊界適用的溫度范圍。這些限制內(nèi)的溫度特性斜率沒有任何暗示;大多數(shù)甚至不是單調(diào)的，更不用說線性了。

　　圖 9A：表格顯示了 EIA 和美國軍方分類方案下不同指示符表示的行為限制。

　　關(guān)于 IEC 2 類(EIA II/III 類)電介質(zhì)的分類，應(yīng)進(jìn)行兩項(xiàng)重要觀察：

　　它們表示電容變化僅作為溫度的函數(shù)。其他影響未包括在 ?C 數(shù)字中，這些影響可能很重要。(參見電容電壓系數(shù)部分)

　　它們不是介電配方的絕對(duì)規(guī)定，只是一種僅根據(jù)溫度行為對(duì)設(shè)備進(jìn)行分組的方法。不同的部件號(hào)(特別是那些具有不同封裝尺寸的部件)在給定應(yīng)用中可能表現(xiàn)不同，即使它們具有相同的值、公差、額定電壓和介電分類。

　　公差規(guī)格

　　陶瓷電容器的制造公差和溫度行為規(guī)范之間的區(qū)別很容易被誤解，這可能是由于數(shù)字的大小經(jīng)常相似，以百分比表示的常見做法以及不完善的語言規(guī)則。準(zhǔn)確地說，陶瓷電容器的“公差”規(guī)格表示在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下由于制造差異而導(dǎo)致的器件值的允許變化。它通常指定為標(biāo)稱值的百分比，指的是在標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件下具有相同部件號(hào)的不同設(shè)備之間相對(duì)于標(biāo)稱值的變化。換句話說，它衡量的是從生產(chǎn)線上下來的零件的均勻性。相比之下，陶瓷電容器的“溫度特性”表示任何給定設(shè)備的電容在該設(shè)備規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)隨溫度變化的程度。術(shù)語“溫度系數(shù)”最好保留給使用 I 類電介質(zhì)的設(shè)備，它們或多或少具有線性溫度依賴性，而術(shù)語“溫度特性”更適合使用 EIA II 類和 III 類電介質(zhì)的電容器，它們表現(xiàn)出明顯的非線性電容隨溫度的變化。

　　圖 10：Vishay BC Components D471K20Y5PH6UJ5R 陶瓷電容器的容差與溫度。

　　例如，部件號(hào)BC5214CT-ND是一種陶瓷圓片電容器，指定為具有 470 pF 標(biāo)稱電容、+/-10% 容差和 Y5V 溫度特性。在指定的測(cè)試條件下測(cè)量，具有此 P/N 的器件應(yīng)表現(xiàn)出 423 pF 和 517 pF 之間的電容;這是器件容差，表示圖 10 左側(cè)圖中紅線上的某個(gè)點(diǎn)應(yīng)描述具有此部件號(hào)的器件。然而，Y5V 溫度特性表明，在 -30°C 和 +85°C 之間的溫度下測(cè)量時(shí)，器件電容相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的值可能會(huì)額外變化 +22%/-82%。換句話說，只要其電容與溫度的關(guān)系圖(使用指定的測(cè)試信號(hào)、指定的溫度歷史記錄等測(cè)量)，設(shè)備就可以滿足規(guī)格。) 垂直停留在藍(lán)框內(nèi)并穿過紅線;在盒子的水平(溫度)限制之外，一切都會(huì)發(fā)生。當(dāng)考慮溫度特性時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)(標(biāo)稱值)470 pF 電容器的電容可能介于 76 和 630 pF 之間(25°C 時(shí)除外)，但仍完全保持在規(guī)格范圍內(nèi)。加上老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反設(shè)備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區(qū)別顯然非常重要;如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N 在盒子的水平(溫度)限制之外，一切都會(huì)發(fā)生。當(dāng)考慮溫度特性時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)(標(biāo)稱值)470 pF 電容器的電容可能介于 76 和 630 pF 之間(25°C 時(shí)除外)，但仍完全保持在規(guī)格范圍內(nèi)。加上老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反設(shè)備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區(qū)別顯然非常重要;如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N 在盒子的水平(溫度)限制之外，一切都會(huì)發(fā)生。當(dāng)考慮溫度特性時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)(標(biāo)稱值)470 pF 電容器的電容可能介于 76 和 630 pF 之間(25°C 時(shí)除外)，但仍完全保持在規(guī)格范圍內(nèi)。加上老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反設(shè)備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區(qū)別顯然非常重要;如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N 我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)(標(biāo)稱值)470 pF 的電容器可以表現(xiàn)出介于 76 和 630 pF 之間的任何電容(25°C 時(shí)除外)，但仍完全保持在規(guī)格范圍內(nèi)。加上老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反設(shè)備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區(qū)別顯然非常重要;如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N 我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)(標(biāo)稱值)470 pF 的電容器可以表現(xiàn)出介于 76 和 630 pF 之間的任何電容(25°C 時(shí)除外)，但仍完全保持在規(guī)格范圍內(nèi)。加上老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反設(shè)備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區(qū)別顯然非常重要;如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N 加上老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反設(shè)備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區(qū)別顯然非常重要;如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N 加上老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反設(shè)備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區(qū)別顯然非常重要;如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N 如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N 如果設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為該設(shè)備將顯示出標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)的值，那么如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，則可能會(huì)感到失望。比較 P/N490-3271-2-ND和490-5920-2-ND; EIA 0402 封裝中的兩個(gè) 0.1 uF、25 V 電容器。前者使用具有 Y5V 特性的 III 類電介質(zhì)，容差為 -20% ~ +80%，在撰寫本文時(shí)的單價(jià)為 0.00399 美元。后者使用具有 X5R 特性的 II 類電介質(zhì)，具有 +/-10% 的公差，售價(jià)為 0.00483 美元。因考慮溫度特性而產(chǎn)生的公差帶和窗口一起繪制在圖 10 右側(cè)的圖表中。與前面的圖表一樣，如果它們的實(shí)際電容是溫度的函數(shù)，則下線的設(shè)備符合規(guī)格留在各自的盒子內(nèi)并通過垂直線@ 25°C。X5R(II 類)設(shè)備比 Y5V(III 類)設(shè)備更接近標(biāo)稱值三倍以上，并且在更寬的溫度范圍內(nèi)如此，而由于制造可變性和溫度的綜合影響，最大和最小設(shè)備值之間的比率對(duì)于 II 類設(shè)備要低近十倍。不到 1/10 美分就可以減少所需的設(shè)計(jì)余量、提高生產(chǎn)良率、減少測(cè)試要求、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命等。這樣的好處值得每一分錢，但它們不會(huì)花費(fèi)那么多。

　　電容電壓系數(shù)

　　陶瓷電容器的電容隨直流偏置電平的變化而變化。換句話說，用平均為 0 V 的 1 V P-P尺寸波測(cè)量器件的電容將產(chǎn)生不同(通常更大)的值，這與用直流偏置為 10 V 的 1 V 正弦波測(cè)試同一器件時(shí)的值不同。效應(yīng)源于由于施加的電壓梯度而施加在電介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，因此與電介質(zhì)厚度/器件額定電壓成比例;在其他條件相同的情況下(這很少……)額定電壓為 100 V DC 的設(shè)備需要的直流偏置電壓是額定電壓為 25 V DC的設(shè)備的四倍為了表現(xiàn)出相同比例的電容變化。不出所料，該效果還受到電介質(zhì)配方的影響。EIA I 類電介質(zhì)表現(xiàn)出相對(duì)較小的電壓系數(shù)，隨著直流偏置在設(shè)備額定電壓的 0% 到 100% 之間變化，觀察到的電容通常最多變化幾個(gè)百分點(diǎn)(通常更少)。EIA II 類電介質(zhì)受直流偏壓的影響明顯更大，電容變化大約為 20-60%。這種變化當(dāng)然不容小覷，但明顯沒有 EIA III 類電介質(zhì)表現(xiàn)出的那些變化嚴(yán)重，EIA III 類電介質(zhì)通常表現(xiàn)出超過其額定電壓的 80-90% 或更多的電容變化。不，那不是錯(cuò)字;使用 EIA III 類介電材料的陶瓷帽的有效電容可能僅由于直流偏置而改變一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種影響也可能是不利的非線性的;當(dāng)偏置到其額定直流電壓的 20% 時(shí)，某些設(shè)備的電容會(huì)減少 75%。更糟糕的是，該效應(yīng)與溫度效應(yīng)是累積的(雖然不是線性累加)。-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 電容變化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (CGB2A1X5R1C105K033BC)0603(C1608X5R1C105K080AA)0805(C2012X5R1C105K085AA)。

　　圖 11：封裝尺寸對(duì)直流偏置效應(yīng)的影響。資料來源：來自 TDK Components Characteristic Viewer 在線工具的數(shù)據(jù)。

　　可能更令人驚訝(和陰險(xiǎn))的是直流偏置效應(yīng)的大小與器件封裝尺寸之間的關(guān)系。將越來越大的電容塞進(jìn)越來越小的封裝在某些時(shí)候需要做出妥協(xié)，如圖 11 所示，顯示了來自同一制造商產(chǎn)品系列的三個(gè)不同 1uF/16V/X5R 電容器的電容變化與直流偏置的函數(shù)關(guān)系;它們之間的主要區(qū)別只是包裝尺寸。較小包裝的成本是顯而易見的;采用 EIA0805 封裝(綠色)的器件在 5 V 偏壓下表現(xiàn)出幾個(gè)百分比的電容損失，而更具侵略性的 0402 封裝器件(藍(lán)色)在相同條件下?lián)p失近 70%，而采用 0603 封裝的器件(紅色) ) 介于兩者之間。認(rèn)識(shí)到許多應(yīng)用既涉及直流偏置又涉及維持一些最小電容(例如，低壓差穩(wěn)壓器的輸出濾波器)，無知可能帶來不愉快的后果是顯而易見的。不幸的是，對(duì)這些電壓相關(guān)效應(yīng)的描述實(shí)際上并不是器件數(shù)據(jù)表的一部分，因此很容易忽視或忽略它們的存在，并使比較不同產(chǎn)品的工作變得復(fù)雜。但是請(qǐng)放心，它們確實(shí)存在，并在選擇設(shè)備時(shí)牢記這一事實(shí)。很容易忽視或不知道它們的存在，并使比較不同產(chǎn)品的努力復(fù)雜化。但是請(qǐng)放心，它們確實(shí)存在，并在選擇設(shè)備時(shí)牢記這一事實(shí)。很容易忽視或不知道它們的存在，并使比較不同產(chǎn)品的努力復(fù)雜化。但是請(qǐng)放心，它們確實(shí)存在，并在選擇設(shè)備時(shí)牢記這一事實(shí)。

　　開裂

　　由于陶瓷材料的脆性和相對(duì)剛性，機(jī)械損壞是陶瓷電容器發(fā)生故障的主要原因。故障的電氣癥狀可能表現(xiàn)為電容減少以及短路或開路。在某些情況下，這些癥狀可能會(huì)隨著溫度等外部影響而出現(xiàn)和消失。有時(shí)肉眼可以看到陶瓷電容器中的裂紋，有時(shí)它們太小而看不見，或者隱藏在已安裝設(shè)備的底部或端子的邊緣。機(jī)械損壞通常是通過以下幾種機(jī)制之一造成的：

　　組裝過程中的電路板彎曲或由連接器配合力、粗暴處理等引起的。

　　操作溫度循環(huán)或裝配操作引起的熱應(yīng)力。

　　組裝前或組裝過程中因處理不當(dāng)而造成的直接損壞。

　　到目前為止，由于陶瓷材料、端子和 PCB 之間的緊密機(jī)械耦合，多層陶瓷芯片 (MLCC) 類型是最常見的開裂受害者。通孔或引線框安裝設(shè)備的相對(duì)較長(zhǎng)且靈活的端子減少了由于溫度循環(huán)或電路板彎曲而施加到陶瓷電容器主體的力，從而大大減少了這些設(shè)備開裂的問題。對(duì)于工作條件惡劣的應(yīng)用，可以使用設(shè)計(jì)為在端子和陶瓷設(shè)備主體之間提高機(jī)械靈活性的 MLCC，以及設(shè)計(jì)用于降低短路故障風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備。許多電容器開裂的來源都與裝配有關(guān)，超出了設(shè)計(jì)人員的直接控制范圍;例如，裝配商有責(zé)任避免在拾取和放置操作期間壓碎和粉碎組件，并為所用的裝配過程提供適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和冷卻時(shí)間。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的責(zé)任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設(shè)計(jì)人員。MLCC開裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，這里不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這一來之不易的知識(shí)體系中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：以及為所使用的裝配工藝提供適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和冷卻時(shí)間。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的責(zé)任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設(shè)計(jì)人員。MLCC開裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，這里不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這一來之不易的知識(shí)體系中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：以及為所使用的裝配工藝提供適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和冷卻時(shí)間。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的責(zé)任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設(shè)計(jì)人員。MLCC開裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，這里不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這一來之不易的知識(shí)體系中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：MLCC開裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，這里不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這一來之不易的知識(shí)體系中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：MLCC開裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，這里不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這一來之不易的知識(shí)體系中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：

　　選擇經(jīng)驗(yàn)豐富、注重質(zhì)量的裝配承包商。

　　避免熱沖擊;波峰焊和傳統(tǒng)烙鐵是特別危險(xiǎn)的 MLCC 組裝和返工方法。

　　減小組件尺寸;由于電路板彎曲，較大的設(shè)備會(huì)承受更大的壓力，并且更容易受到熱沖擊的損壞。建議使用 0805(2012 公制)或更小封裝的器件。

　　組裝后分離鑲板時(shí)要格外小心，以避免板彎曲。用手沿著劃線手動(dòng)斷開陣列是最不受歡迎的方法，緊隨其后的是剪刀。如果可能，請(qǐng)使用鋸或其他不會(huì)對(duì) PCB 施加彎曲應(yīng)力的分離方法。

　　使 MLCC 遠(yuǎn)離電路板邊緣、連接器、安裝孔、大型/重型組件、面板片或其他可能將機(jī)械應(yīng)力引入 PCB 的點(diǎn)。建議最小距離為 0.2 英寸或 5 毫米。

　　老化

　　陶瓷電容器會(huì)出現(xiàn)與電介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的老化現(xiàn)象，表現(xiàn)為電介質(zhì)材料初次燒制后電容和耗散因數(shù)發(fā)生變化。與既定模式一致，EIA I 類電介質(zhì)受影響最小，被廣泛認(rèn)為不會(huì)老化，而 EIA II 類電介質(zhì)材料受到中度影響，而 EIA III 類材料往往受到相當(dāng)嚴(yán)重的影響。這種老化過程可以通過暴露在高于電介質(zhì)居里溫度的溫度下足夠長(zhǎng)的時(shí)間以使晶體結(jié)構(gòu)重新形成來重置(或設(shè)備“去老化”);溫度越高，所需時(shí)間越短。由于許多陶瓷電介質(zhì)的居里溫度低于許多焊接工藝中遇到的居里溫度，因此器件在組裝過程中可能至少會(huì)部分老化。設(shè)備的這種老化行為通常表示為每十小時(shí)的電容變化百分比，相對(duì)于在“最后一次加熱”時(shí)測(cè)量的電容;上一次該設(shè)備被加熱到居里溫度以上足夠長(zhǎng)的時(shí)間以完全改變其晶體結(jié)構(gòu)。換句話說，老化率 (-) 5% 的電容器在其“新鮮烤箱”狀態(tài)下測(cè)得 100 uF，在離開烤箱 1、10 和分別為 100 小時(shí)。顯然，這引起了關(guān)于設(shè)備的標(biāo)稱電容應(yīng)該是多少的問題，如果該數(shù)量不斷變化，即使設(shè)備以其原始包裝放在架子上未使用也是如此。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) EIA-521 和 IEC-384-9 談到了這個(gè)問題，主要說明設(shè)備在最后一次加熱后 1000 小時(shí)(約 42 天)后應(yīng)滿足其指定的公差值。接下來的十年時(shí)間標(biāo)記(10K 和 100K 小時(shí))分別轉(zhuǎn)化為 1 年多一點(diǎn)和 11 年多一點(diǎn)。使事情復(fù)雜化的是，老化過程以與溫度相關(guān)的速率進(jìn)行;直到電介質(zhì)的居里溫度，器件溫度的升高通常會(huì)加速老化過程。由于老化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)超出其規(guī)定公差的情況，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)測(cè)試人員必須注意這一事實(shí);最近重新流過的組件的測(cè)試應(yīng)該期望電容值有點(diǎn)高，并且設(shè)計(jì)應(yīng)該有足夠的余量以隨著設(shè)備老化而正常運(yùn)行。電源轉(zhuǎn)換電路是這種效應(yīng)可能造成嚴(yán)重危險(xiǎn)的一個(gè)很好的例子，因?yàn)樘沾呻娙萜魍ǔＷ罱K會(huì)對(duì)此類電路的控制回路產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，無論是作為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件還是作為濾波器元件。一個(gè)在組裝過程中因電容器老化而顯得穩(wěn)定的系統(tǒng)可能會(huì)隨著時(shí)間的推移變得不穩(wěn)定，因?yàn)槔匣瘜?dǎo)致的電容損失會(huì)影響控制回路的動(dòng)態(tài)。最重要的是，如果隨著時(shí)間的推移穩(wěn)定的電容值很重要，則應(yīng)避免使用顯著老化的電容器。如果西西弗斯是 21 世紀(jì)的人物，

　　壓電效應(yīng)/麥克風(fēng)

　　IEC 2 級(jí)(EIA II 級(jí)和 III 級(jí))陶瓷電介質(zhì)在本質(zhì)上具有顯著的壓電性，導(dǎo)致電氣域和機(jī)械域之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制非常重要。在壓電材料上施加電壓會(huì)導(dǎo)致機(jī)械變形，相反，使壓電材料發(fā)生機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致電壓出現(xiàn)在壓電材料上。由于電容器和 PCB 之間的緊密機(jī)械耦合，這對(duì)于表面貼裝 MLCC 尤其有問題。一方面，施加在電容器上的紋波電壓可以轉(zhuǎn)化為令人討厭的可聞噪聲;另一方面，外部機(jī)械振動(dòng)可以作為信號(hào)耦合到電子電路中?；?1 類電介質(zhì)的陶瓷電容器受影響最小，因?yàn)檫@些電介質(zhì)幾乎沒有壓電效應(yīng)。

　　電極冶金

　　The electrode materials in MLCCs follow one of two general metallurgical paths, referred to as noble metal electrode (NME) or base metal electrode (BME) systems. Though not a common selection criteria for most applications, the two technologies do result in differing characteristics which bear note. Noble metal electrodes are typically based on a palladium-silver alloy, and may also be referred to as precious metal electrodes (PME), since noble metals (those that are relatively nonreactive, particularly with oxygen) also tend to be expensive. Since these electrode materials are used because of their low reactivity and not because they are expensive, it could be argued that the former term is the proper one, though reason and marketing seem to disagree on the point… Base metal electrodes are commonly nickel-based. The significant issue at hand from a production standpoint is how the electrode metals react chemically at the high temperatures required to fire the ceramic dielectric materials; the noble metal electrode systems can tolerate the presence of more oxygen at elevated temperatures, and thus can be made using air-atmosphere kilns and dielectric formulations requiring oxygen to cure properly. Base metal electrode systems don’t have the same tolerance for oxygen at high temperatures, and thus must be manufactured using different equipment and dielectric formulations. The NME approach was the original route taken, and has some advantages in terms of reliability and accumulated industry experience. Consequently, much of the high-reliability and mil-spec product available at the time of writing is produced using this process. Principle drawbacks are high cost of electrode materials and lower achievable capacitance per volume relative to BME devices, due to the typical use of thicker dielectric layers in NME devices as a consequence of characteristic material and process differences.

　　設(shè)備特性、選項(xiàng)和目標(biāo)應(yīng)用

　　汽車

　　作為“汽車”類型銷售的電容器設(shè)計(jì)用于機(jī)械要求苛刻的環(huán)境，例如汽車。通常，它們還根據(jù)某些協(xié)議進(jìn)行生產(chǎn)和測(cè)試，例如汽車電子委員會(huì)制定的 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種應(yīng)力機(jī)制的測(cè)試方法和性能水平，例如 ESD、施加到端子的機(jī)械力、浪涌電壓等

　　受控的 ESR

　　指定為“受控 ESR”類型的電容器設(shè)計(jì)有少量有意添加的 ESR，以降低由電容及其寄生電感產(chǎn)生的 LC 電路的“Q”因子。這對(duì)電源軌去耦等應(yīng)用很有幫助，在這些應(yīng)用中，適量 ESR 的存在可以抑制帶有走線電感的電容器的“振鈴”，或有助于避免并聯(lián)電容器之間的反諧振情況。

　　環(huán)氧樹脂可安裝

　　指定為可安裝環(huán)氧樹脂的設(shè)備設(shè)計(jì)為使用導(dǎo)電粘合劑而不是通常的焊接工藝進(jìn)行安裝。區(qū)別主要在于用于端子表面電鍍的材料，這些材料不同是為了使所使用的安裝方法具有良好的粘合性;標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝不適用于環(huán)氧樹脂可安裝設(shè)備，反之亦然。環(huán)氧樹脂安裝有利于承受較大、頻繁的溫度波動(dòng)的應(yīng)用(例如汽車應(yīng)用)，其中環(huán)氧樹脂接頭相對(duì)于焊點(diǎn)具有更高的機(jī)械靈活性，可減少由于電路板之間不同的熱膨脹系數(shù)而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，焊點(diǎn)和電容器體。環(huán)氧樹脂安裝也適用于對(duì)熱敏感的應(yīng)用，例如 LCD 面板。

　　浮動(dòng)電極

　　指定為“浮動(dòng)電極”類型的設(shè)備實(shí)際上由多個(gè)電容器串聯(lián)組成，內(nèi)部電極未連接到任何設(shè)備端子，而是保持“浮動(dòng)”狀態(tài)。這種構(gòu)造方法的目的主要是降低短路故障模式的風(fēng)險(xiǎn)，短路故障模式通常作為電容器開裂的次要影響而發(fā)生，盡管它在 ESD 和浪涌電壓的穩(wěn)健性方面也有好處。

　　高溫

　　指定為“高溫”類型的設(shè)備(不出所料)適用于溫度高于大多數(shù)電子設(shè)備所遇到溫度的應(yīng)用。通常這也意味著“寬溫度范圍”，因?yàn)榫哂写嗣Q的設(shè)備往往也被指定用于電子設(shè)備通常遇到的工作溫度范圍的下限。關(guān)于此名稱的不明顯之處在于，大多數(shù)帶有它的設(shè)備在其同類產(chǎn)品中都表現(xiàn)出相當(dāng)令人印象深刻的參數(shù)穩(wěn)定性，包括溫度和通常的直流偏置。

　　高壓/Arc Guard?/Arc Shield?

　　帶有“高壓”和/或?qū)Ｓ锌闺娀?biāo)志的電容器設(shè)計(jì)用于超過電子設(shè)備典型電壓的應(yīng)用電壓。不同制造商對(duì)“高壓”的定義各不相同，但分界線似乎落在 100 V 至 1 kV 范圍內(nèi)。在這樣的電位下，MLCC 技術(shù)開始受到端子之間或端子與通過設(shè)備外殼連接到另一個(gè)端子的電極之間的表面電弧的影響。這當(dāng)然不是什么好事。雖然表面電弧在足夠高的電壓下成為任何組件的問題，但 MLCC 技術(shù)特別容易受到攻擊，因?yàn)槠渚o湊的結(jié)構(gòu)必須將兩個(gè)設(shè)備端子及其連接的電極非?？拷?，增加電介質(zhì)擊穿和電弧的風(fēng)險(xiǎn)。增加設(shè)備尺寸來補(bǔ)償是一種選擇，但它的代價(jià)是設(shè)備破裂的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。設(shè)備如Arc Guard?和Arc Shield?系列產(chǎn)品旨在減輕這些影響，并改進(jìn)介電擊穿故障風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)械開裂風(fēng)險(xiǎn)之間的權(quán)衡方程式。

　　高 Q/低損耗/低耗散因數(shù)

　　以高 Q、低損耗或低耗散因數(shù)類型銷售的設(shè)備旨在最大限度地減少 ESR。通常，這些設(shè)備由 I 類介電材料制成，用于 RF 或其他高頻應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，近乎理想的電容器可用于鑒頻目的。

　　集成泄漏電阻

　　具有此名稱的設(shè)備集成了一個(gè)并聯(lián)電阻，以確保在設(shè)備斷電時(shí)電荷不會(huì)殘留或累積在電容器上。在撰寫本文時(shí)，DigiKey 僅列出了 3 個(gè)帶有此名稱的部件號(hào)，所有這些都沒有庫存并且價(jià)格不菲。為什么?好吧，這些設(shè)備數(shù)據(jù)表的營銷(第一)頁上列出的建議應(yīng)用包括“引爆裝置”和“電子引信”，這與您在大多數(shù)電容器數(shù)據(jù)表上看到的完全不同。(不，應(yīng)用筆記不可用……)

　　低ESL

　　低 ESL 陶瓷電容器旨在最大限度地減少串聯(lián)電感。在表面貼裝 MLCC 的情況下，大部分電感不是部件本身固有的，而是與封裝的幾何形狀以及將其連接到電路的引線有關(guān)。因此，低 ESL MLCC 大部分是標(biāo)準(zhǔn)器件的幾何和引線配置變體。多端子低 ESL 器件為每個(gè)邏輯電容器端子使用多個(gè)物理端子，并以這樣的方式交錯(cuò)排列，使電流進(jìn)出器件產(chǎn)生的磁場(chǎng)在很大程度上抵消，從而降低電感。逆幾何陶瓷電容器將器件端子放在電容器的長(zhǎng)邊上，而不是像其他設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)做法那樣放在電容器的末端。堆疊式低 ESL 陶瓷電容器將多個(gè) MLCC 器件連接在一個(gè)引線框架上，這使得它們可以作為一個(gè)單元進(jìn)行處理和組裝，并在降低開裂和顫音效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)方面提供優(yōu)勢(shì)。將此類設(shè)備描述為“低 ESL”在某種程度上是一種營銷策略，因?yàn)樗挥性谂c不同電容器技術(shù)進(jìn)行蘋果對(duì)橘子比較的情況下才是準(zhǔn)確的。相對(duì)于直接安裝在 PCB 上的相同陶瓷電容器，設(shè)備安裝在引線框架上(將它們提升到電路板上方)將表現(xiàn)出明顯更高的 ESL。低 ESL MLCC 的 X2Y 描述符是一個(gè)商標(biāo)，不應(yīng)與外觀相似的安全標(biāo)志符(如“X1Y2”)混淆。雖然有就使用它們的原因而言，這兩個(gè)設(shè)備組之間有一些相似之處，設(shè)備本身完全不同。低 ESL X2Y 電容器的額定電壓低至 6.3V，并且每次都允許發(fā)生短路故障，而安全等級(jí)的設(shè)備必須承受 kV 級(jí)浪涌并避免像瘟疫這樣的短路故障模式。也就是說，X2Y 低 ESR 電容器在低壓電源去耦、共模濾波和類似應(yīng)用中具有顯著優(yōu)點(diǎn)。它們的顯著特征是它們的 4 端子結(jié)構(gòu);兩個(gè)端子電氣連接，既充當(dāng)“直通”連接，又充當(dāng)設(shè)備內(nèi)兩個(gè)獨(dú)立電容器的公共端子，每個(gè)電容器都使用其余端子之一作為其第二個(gè)電極連接。這種排列的幾何形狀允許減少去耦應(yīng)用中與布局相關(guān)的電感，

　　低調(diào)

　　薄型電容器比長(zhǎng)度和寬度相當(dāng)?shù)牡湫驮O(shè)備更薄，以便于在高度受限的應(yīng)用中使用?？商峁┖穸葴y(cè)量值小至 0.006”(0.15 毫米)的設(shè)備。應(yīng)該注意的是，這些設(shè)備的厚度減少使它們更容易因電路板彎曲而破裂，考慮到需要額外減少一兩毫米高度的應(yīng)用，仔細(xì)的設(shè)計(jì)、組裝和處理程序變得尤為重要這些設(shè)備也可能使用更薄(因此更靈活)的電路基板。

　　軍隊(duì)

　　指定為“軍用”并根據(jù)美國軍方標(biāo)準(zhǔn)化零件編號(hào)方案采購的產(chǎn)品按照軍方制定的規(guī)格生產(chǎn)，以確保跨多個(gè)供應(yīng)來源的產(chǎn)品一致性。傳統(tǒng)的“軍用規(guī)格”標(biāo)準(zhǔn)不僅闡明了生產(chǎn)內(nèi)容，還闡明了生產(chǎn)方式，以確保來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品的一致性和可互換性。較新的 MIL-PRF 標(biāo)準(zhǔn)是基于性能的，并規(guī)定了產(chǎn)品必須如何執(zhí)行，同時(shí)將實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確方法主要留給制造商。后一種方法提供的靈活性為采用新技術(shù)和制造工藝提供了更大的回旋余地，但隨著時(shí)間的推移，制造商之間產(chǎn)品行為差異的風(fēng)險(xiǎn)有所增加。在任一情況下，由于涉及廣泛的測(cè)試和文檔要求，按照軍用規(guī)格采購的“真正”軍用產(chǎn)品往往相當(dāng)昂貴。作為中間立場(chǎng)，可以使用按軍用規(guī)格生產(chǎn)但作為標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)產(chǎn)品銷售的產(chǎn)品，但沒有大量文檔。

　　非磁性

　　非磁性電容器由既不會(huì)被磁鐵吸引也不會(huì)受到磁鐵不利影響的材料制成，并且不會(huì)影響放置它們的磁場(chǎng)。它們通常在制造后進(jìn)行篩選，以確保最終產(chǎn)品保留這些特性。此類產(chǎn)品用于醫(yī)療成像和診斷設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和其他不希望設(shè)備受到磁場(chǎng)影響或保留會(huì)影響應(yīng)用電路或其他設(shè)備運(yùn)行的磁場(chǎng)的應(yīng)用。

　　開放模式

　　作為“開放模式”設(shè)備銷售的 MLCC 旨在降低因機(jī)械開裂而可能發(fā)生的短路或低阻抗故障模式的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的常用方法是減少兩組電極之間的重疊區(qū)域，以使電路板應(yīng)力裂紋的典型路徑不會(huì)穿過電極重疊的區(qū)域。這樣做會(huì)減少電容器內(nèi)可用的有源面積，因此在給定封裝尺寸中可實(shí)現(xiàn)的最大電容值會(huì)降低。這種方法可以與浮動(dòng)電極和軟終端技術(shù)相結(jié)合，以進(jìn)一步降低與裂紋引起的 MLCC 故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。雖然開式 MLCC 大大降低了短路故障的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該指出的是，此類故障的概率仍然不為零。如果必須進(jìn)一步降低短路故障的可能性，行業(yè)文獻(xiàn)中建議使用兩個(gè)相互成 90° 的串聯(lián)設(shè)備。

　　軟/靈活終端

　　在市場(chǎng)上銷售的具有軟終端或柔性終端的 MLCC 旨在提供金屬終端和陶瓷電容器主體之間的連接，這種連接比標(biāo)準(zhǔn) MLCC 中的連接更符合機(jī)械要求。這通過減少由于電路板彎曲或溫度循環(huán)而施加到陶瓷材料上的應(yīng)力來降低開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

　　什么是雙電層電容器?

　　雙電層和超級(jí)電容器：

　　設(shè)備構(gòu)造和區(qū)別特征：

　　雙電層電容器 (ELDC) 和超級(jí)電容器是一組類電解設(shè)備，其特點(diǎn)是單位體積電容極高，額定電壓低，通常不超過幾伏。這些設(shè)備的構(gòu)造類型和工作原理各不相同，并且是正在進(jìn)行的研發(fā)工作的主題，但它們之間的共同主題是使用具有極高單位體積表面積的電極材料(例如活性炭、氣凝膠等)和沒有傳統(tǒng)的固體電介質(zhì)。代替其他電容器類型中的傳統(tǒng)陶瓷、聚合物或金屬氧化物電介質(zhì)，ELDC、超級(jí)電容器和其他名稱的類似設(shè)備依賴于提供極小電荷分離距離的各種電化學(xué)、靜電和電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng);電容器的“板”分開的距離通常以納米的分?jǐn)?shù)來衡量。出于實(shí)用目的，ELDC、超級(jí)電容器和不同名稱的類似設(shè)備可被視為傳統(tǒng)電容器和二次(可充電)電池之間的一種中間地帶。它們的儲(chǔ)能密度高于傳統(tǒng)電容器但低于電化學(xué)電池，ESR 值按電容器標(biāo)準(zhǔn)高，但按電化學(xué)電池標(biāo)準(zhǔn)低，與化學(xué)電池的循環(huán)壽命相比，它們的循環(huán)壽命幾乎無限幾百到幾千個(gè)周期。與電化學(xué)電池一樣，可以將多個(gè) ELDC 集成到一個(gè)封裝中，以產(chǎn)生具有更高標(biāo)稱電壓的復(fù)合裝置。與其他電容器類型相比，高 ESR 和較差線性特性的結(jié)合使得 ELDC 和超級(jí)電容器不適合大多數(shù)信號(hào)和高頻 (>kHz) 應(yīng)用，但它們對(duì)于人類尺度時(shí)間范圍內(nèi)的能量存儲(chǔ)非常有用。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，有一系列用于不同應(yīng)用的設(shè)備。較小的設(shè)備可能具有高達(dá)幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。但它們對(duì)于人類規(guī)模時(shí)間框架的能量存儲(chǔ)非常有用。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，有一系列用于不同應(yīng)用的設(shè)備。較小的設(shè)備可能具有高達(dá)幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。但它們對(duì)于人類規(guī)模時(shí)間框架的能量存儲(chǔ)非常有用。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，有一系列用于不同應(yīng)用的設(shè)備。較小的設(shè)備可能具有高達(dá)幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。

　　可用電容和電壓范圍：

　　圖 12 顯示了撰寫本文時(shí) Digi-Key 庫存的 ELDC 和超級(jí)電容器的電壓和電容額定值。請(qǐng)注意，垂直刻度的單位是法拉，與類似圖表中的微法單位形成對(duì)比。

　　圖 12：在撰寫本文時(shí)可通過 Digi-Key 獲得的 ELDC/超級(jí)電容器及其陣列的電容值與額定電壓的關(guān)系圖。

　　常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

　　ELDC/超級(jí)電容保護(hù)傘下設(shè)備之間的技術(shù)差異排除了對(duì)整個(gè)組的故障機(jī)制和關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素的詳細(xì)討論。然而，從應(yīng)用的角度來看，足以注意到適用于鋁電解電容器的問題或多或少直接轉(zhuǎn)移到 ELDC 和超級(jí)電容器上：

　　它們包含易蒸發(fā)的液體電解質(zhì)溶液，阿倫尼烏斯經(jīng)驗(yàn)法則預(yù)測(cè)溫度每升高 10°C，設(shè)備壽命就會(huì)減半。應(yīng)該注意的是，許多 ELDC/超級(jí)電容器的溫度額定值相對(duì)較低，并且自熱效應(yīng)在涉及長(zhǎng)時(shí)間充電循環(huán)的應(yīng)用中可能變得很重要。此外，許多板上安裝的設(shè)備不能承受回流焊工藝，因此在組裝過程中可能需要特別小心。

　　它們不應(yīng)在高于額定電壓的情況下運(yùn)行。這樣做會(huì)因電解質(zhì)損失和/或電介質(zhì)擊穿而導(dǎo)致故障。這在包含有機(jī)電解質(zhì)的設(shè)備的情況下尤其重要，因?yàn)樵诠收掀陂g釋放的材料可能被證明是非常有毒的。

　　它們表現(xiàn)出顯著的介電吸收和器件特性隨溫度的變化。此外，ELDC/超級(jí)電容器中的漏電流通常非常高，特別是在由串聯(lián)電容器組成的復(fù)合設(shè)備中。通常，此類設(shè)備需要某種形式的電路來平衡施加到每個(gè)的電壓，以避免因容量或漏電流不平衡導(dǎo)致的任何給定電池上的過壓情況。

　　根據(jù) Q=C*V 方程，電容器在充電狀態(tài)和輸出電壓之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。這不同于電化學(xué)電池，電化學(xué)電池通常具有寬的、或多或少平坦的輸出電壓平臺(tái)作為其充電狀態(tài)的函數(shù)。在許多/大多數(shù)應(yīng)用中，這意味著需要某種形式的電源管理電路才能充分利用 ELDC/超級(jí)電容器的全部容量。

　　什么是薄膜電容器?

　　圖 13：各種封裝樣式和引線配置的薄膜電容器示例。(不按比例)

　　裝置構(gòu)造

　　薄膜電容器類別中的設(shè)備本質(zhì)上是靜電的，使用介電材料(例如紙或各種聚合物)制成薄片或“薄膜”并與電極材料交錯(cuò)以形成電容器。術(shù)語“薄膜電容器”一般指使用這種工藝制造的任何設(shè)備，術(shù)語“薄膜”指的是所用介電材料的性質(zhì)。當(dāng)術(shù)語“金屬”用作“薄膜”的限定詞時(shí)，如“金屬薄膜”或“金屬化薄膜”，它更具體地指代電極建立在支撐基板上的薄膜電容器子類型在非常薄(10 納米)的層中，通常通過真空沉積工藝。經(jīng)常使用的基板也用作電容器的介電材料，盡管情況并非總是如此。

　　圖 14：薄膜電容器中金屬薄膜和箔電極樣式之間區(qū)別的圖示。

　　基于金屬薄膜電極的薄膜電容器具有能夠自愈的優(yōu)點(diǎn);電介質(zhì)中局部故障附近的電極材料足夠薄，可以被故障引起的泄漏電流蒸發(fā)，從而以損失一些電容為代價(jià)消除(或“清除”)它。由于可靠性或產(chǎn)量問題，這種自愈能力允許使用比其他可行的更薄的電介質(zhì)，并導(dǎo)致單位體積的高電容。箔電極電容器的優(yōu)勢(shì)在于，較厚的電極會(huì)導(dǎo)致較低的 ESR，從而提供更好的 RMS 和脈沖電流處理能力，但會(huì)犧牲自愈能力并降低單位體積可實(shí)現(xiàn)的電容。許多對(duì)基本薄膜和箔電極類型的巧妙組合和調(diào)整被普遍使用。例如，箔電極和薄膜電極通常組合在單個(gè)設(shè)備中，使用“浮動(dòng)電極”配置，這(與類似指定的陶瓷電容器一樣)實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常使用的技術(shù)是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個(gè)相互連接的部分，互連可以充當(dāng)保險(xiǎn)絲，在自愈事件期間限制故障點(diǎn)可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)減少。箔電極和薄膜電極通常組合在單個(gè)設(shè)備中，使用“浮動(dòng)電極”配置，其(與類似指定的陶瓷電容器一樣)實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常使用的技術(shù)是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個(gè)相互連接的部分，互連可以充當(dāng)保險(xiǎn)絲，在自愈事件期間限制故障點(diǎn)可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)減少。箔電極和薄膜電極通常組合在單個(gè)設(shè)備中，使用“浮動(dòng)電極”配置，其(與類似指定的陶瓷電容器一樣)實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常使用的技術(shù)是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個(gè)相互連接的部分，互連可以充當(dāng)保險(xiǎn)絲，在自愈事件期間限制故障點(diǎn)可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)減少。其中(像類似指定的陶瓷電容器)實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常使用的技術(shù)是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個(gè)相互連接的部分，互連可以充當(dāng)保險(xiǎn)絲，在自愈事件期間限制故障點(diǎn)可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)減少。其中(像類似指定的陶瓷電容器)實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常使用的技術(shù)是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個(gè)相互連接的部分，互連可以充當(dāng)保險(xiǎn)絲，在自愈事件期間限制故障點(diǎn)可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)減少。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常使用的技術(shù)是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個(gè)相互連接的部分，互連可以充當(dāng)保險(xiǎn)絲，在自愈事件期間限制故障點(diǎn)可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)減少。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常使用的技術(shù)是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個(gè)相互連接的部分，互連可以充當(dāng)保險(xiǎn)絲，在自愈事件期間限制故障點(diǎn)可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)減少。

　　常見用法和應(yīng)用：

　　某種形式的薄膜電容器是涉及施加到設(shè)備的電壓反轉(zhuǎn)的電源應(yīng)用中的主要電容器技術(shù)。金屬化薄膜類型非常適合安全等級(jí)應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂凶晕倚迯?fù)特性和在許多故障條件下無法打開的能力。金屬箔類型通常用于需要更高紋波電流幅度的應(yīng)用，例如啟動(dòng)/運(yùn)行交流電機(jī)或?yàn)榇蠊β逝潆娞峁┤菘?。此外，薄膜電容器通常用于需要相?duì)較高的電容值以及線性度和溫度穩(wěn)定性的低壓信號(hào)應(yīng)用，例如模擬音頻處理設(shè)備。在直流母線濾波等應(yīng)用中，器件的極性沒有反轉(zhuǎn)，薄膜電容器可以替代鋁電解類型(反之亦然)。將薄膜電容器與具有相似電壓和電容額定值的鋁電解類型進(jìn)行比較時(shí)，薄膜電容器往往更大，成本大約高出 10 倍，但 ESR 值卻低大約 100 倍。薄膜電容器缺乏液體電解質(zhì)消除了鋁電解設(shè)備在低溫下變干和 ESR 增加的問題，并且它們不會(huì)像鋁電解設(shè)備那樣在長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)遭受介電退化。此外，薄膜電容器較低的 ESR 特性可能允許使用比某些應(yīng)用中電解裝置所需的電容值更小的電容值，

　　常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

　　雖然薄膜電容器通常非常耐用，但它們?nèi)菀资艿揭恍╅L(zhǎng)期磨損機(jī)制的影響。隨著時(shí)間的推移，所使用的介電材料會(huì)變?nèi)酢⒆兇?，并且其耐壓能力?huì)下降，最終導(dǎo)致介電擊穿故障。溫度和電壓應(yīng)力會(huì)加速該過程，降低其中任何一個(gè)都可以延長(zhǎng)使用壽命。根據(jù)電介質(zhì)擊穿事件的嚴(yán)重程度，所顯示的故障模式范圍從相對(duì)溫和到非常壯觀。由薄膜電容器的自愈特性阻止的輕微擊穿事件將表現(xiàn)為電容的逐漸減少。隨著時(shí)間的推移發(fā)生更多此類事件，累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電容降低和 ESR 增加，直到設(shè)備的性能不再符合規(guī)范并且被認(rèn)為參數(shù)失敗為止。在更極端的情況下，如果參數(shù)故障設(shè)備未停止使用，可能會(huì)在參數(shù)故障之后發(fā)生，當(dāng)自我修復(fù)過程中釋放的熱能促使附近發(fā)生額外的電介質(zhì)擊穿時(shí)，可能會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)故障。由于自愈事件會(huì)將部分電容器從電路中移除，因此隨著自愈的進(jìn)行，應(yīng)用應(yīng)力會(huì)重新分布在器件不斷縮小的部分，導(dǎo)致器件有效保持部分的應(yīng)力增加在電路中。然后電容器的下一個(gè)最薄弱的部分失效，將其負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到剩下的部分，引發(fā)更多的擊穿事件，更多的應(yīng)力集中，更多故障事件等以指數(shù)方式發(fā)生。如果這個(gè)過程發(fā)生得足夠快，自我修復(fù)過程中產(chǎn)生的氣態(tài)副產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生足夠的壓力，使設(shè)備的外殼猛烈破裂。較大的設(shè)備通常包括一個(gè)通風(fēng)機(jī)構(gòu)，以在發(fā)生這種情況時(shí)限制/防止飛濺碎片造成的附帶損害，并且還可能包括一個(gè)熔斷機(jī)構(gòu)，以在發(fā)生內(nèi)部過壓情況時(shí)將設(shè)備從電路中移除。請(qǐng)注意，如果參數(shù)化失敗的設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，由于反復(fù)自我修復(fù)而導(dǎo)致的參數(shù)化失敗可能只是通向更具災(zāi)難性、爆炸性失敗的路徑上的一個(gè)路標(biāo)點(diǎn)。薄膜電容器中發(fā)現(xiàn)的另一種過應(yīng)力故障模式發(fā)生在超過峰值電流限制時(shí)，由于在電容器的“極板”連接到外部引線的區(qū)域發(fā)生類似保險(xiǎn)絲的動(dòng)作。這在金屬化薄膜類型中尤為常見，因?yàn)樗鼈兊碾姌O厚度非常小，因此與外界的連接非常脆弱。許多薄膜型電容器會(huì)指定施加在電容器兩端的最大電壓變化率 (dV/dt)。這相當(dāng)于指定通過器件的峰值電流，因?yàn)? I(t)=C*dV/dt，盡管電壓通常比電流更便于測(cè)量。環(huán)境條件對(duì)薄膜電容器的壽命也有影響。與其他設(shè)備一樣，升高的溫度會(huì)大大縮短設(shè)備的使用壽命。膠片設(shè)備更獨(dú)特的是易受潮;長(zhǎng)時(shí)間暴露在高濕度環(huán)境中或組裝后清洗循環(huán)會(huì)導(dǎo)致水分通過設(shè)備引線周圍的環(huán)氧樹脂-金屬密封缺陷或通過設(shè)備的聚合物外殼擴(kuò)散進(jìn)入設(shè)備。水分進(jìn)入在幾個(gè)方面都很糟糕;它既會(huì)降解介電材料，又會(huì)促進(jìn)電極材料的腐蝕。特別是在電極最初只有幾十納米厚的金屬膜型設(shè)備中，極少的腐蝕就會(huì)引起問題。此外，高振動(dòng)環(huán)境也會(huì)引起設(shè)備引線的機(jī)械故障、引線與電極之間的連接或加劇濕氣進(jìn)入問題，從而帶來麻煩。薄膜電容器可靠性和壽命的主要因素是施加電壓，其次是溫度。供應(yīng)商的使用壽命模型各不相同，但通?；趯㈩~定電壓與外加電壓之比取一個(gè)大指數(shù)(通常在 5 到 10 之間)，而溫度的影響遵循阿倫尼烏斯關(guān)系，即每 10 倍變化 2 倍°C 溫度增量。在這兩種影響之間，電壓降額 30% 和溫度降額 20°C 會(huì)使使用壽命估計(jì)值增加近兩位小數(shù)。

　　電介質(zhì)類型、特性和目標(biāo)應(yīng)用：

　　丙烯酸纖維：

　　丙烯酸酯材料作為薄膜電容器的介電材料是相對(duì)較新的。目前可用的設(shè)備通常作為陶瓷電介質(zhì)的回流兼容薄膜替代品銷售，避免壓電效應(yīng)和直流偏壓引起的電容損失，或作為較低 ESR 的鉭替代品。

　　紙：

　　牛皮紙是最早用于薄膜電容器的介電材料之一，因?yàn)樗诂F(xiàn)代聚合物開發(fā)之前成本低且可用性高。通常用蠟、各種油或環(huán)氧樹脂浸漬以填充空隙并抑制吸濕，其低介電強(qiáng)度和高吸濕性導(dǎo)致紙張作為介電材料在很大程度上不再受歡迎，盡管它在以下應(yīng)用中的應(yīng)用仍然有限對(duì)成本極其敏感，或者對(duì)遺留規(guī)范的更改極難實(shí)現(xiàn)。由于與聚合物材料相比，金屬膜可以相對(duì)容易地應(yīng)用于紙，紙有時(shí)不用作介電材料本身，而是用作金屬化電極材料的機(jī)械載體，

　　聚酯/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)：

　　聚酯，也稱為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或 PET，與聚丙烯一起是薄膜電容器中最常用的介電材料之一。相對(duì)于聚丙烯，聚酯一般具有較高的介電常數(shù)、較低的介電強(qiáng)度、較高的耐溫性和較高的介電損耗。簡(jiǎn)而言之，聚酯電介質(zhì)適用于重視電容數(shù)量而非質(zhì)量且不需要表面貼裝外形的薄膜電容應(yīng)用。某些專為耐高溫而設(shè)計(jì)的聚酯配方有助于在表面貼裝封裝中使用聚酯薄膜電容器，盡管這些器件的數(shù)量相對(duì)較少。

　　聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN)：

　　聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 是一種聚合物介電材料，設(shè)計(jì)用于承受更高的溫度，允許在表面貼裝、回流兼容封裝中使用薄膜電容器技術(shù)。在應(yīng)用概念中，它可以被認(rèn)為是聚乙烯 (PET) 的回流兼容版本，提供的電容數(shù)量超過質(zhì)量。為了獲得回流焊接兼容性，PEN 放棄了一些比電容(單位體積的電容)，具有更高的介電吸收，并且更容易出現(xiàn)吸濕問題，盡管相對(duì)于聚乙烯在低頻下的耗散因數(shù)可能略有改善。

　　聚丙烯(PP)：

　　在常用的薄膜電容器電介質(zhì)中，聚丙烯具有最低的介電損耗、最低的介電常數(shù)和最低的最高工作溫度。它還具有這些聚合物中最高的介電強(qiáng)度之一，以及良好的溫度參數(shù)穩(wěn)定性?？偟膩碚f，聚丙烯是要求電容質(zhì)量而非數(shù)量的薄膜帽應(yīng)用的首選電介質(zhì)。由于其耐低溫性，聚丙烯電介質(zhì)與回流焊接工藝不兼容，因此幾乎只能在通孔或某種形式的底盤安裝封裝中找到。由于其卓越的損耗特性，聚丙烯薄膜電容器是感應(yīng)加熱和晶閘管換向等大電流、高頻應(yīng)用的首選器件，

　　聚苯硫醚 (PPS)：

　　對(duì)于電容質(zhì)量比數(shù)量更重要的應(yīng)用，聚苯硫醚 (PPS) 電介質(zhì)可被視為聚丙烯的回流兼容替代品。相對(duì)于聚丙烯，PPS 電容器在適用頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的比電容和耗散因數(shù)，大約為 2 到 3 倍，但電容在溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性略有改善。

　　其他電介質(zhì)

　　許多薄膜電容器介電材料要么隨著時(shí)間的推移來去匆匆，要么一直默默無聞。雖然不容易獲得或不建議在新應(yīng)用中使用，但在此提及以供參考和比較。

　　聚碳酸酯

　　聚碳酸酯是一種堅(jiān)硬、透明的熱塑性塑料，通常用于制造安全眼鏡、頭盔面罩或其他抗沖擊光學(xué)器件的鏡片。它用作介電薄膜的制造在 2000 年左右停止，用于電容器應(yīng)用的剩余材料庫存已大量消耗。作為一種介電材料，它非常好，雖然在大多數(shù)情況下具有與聚丙烯相似但略遜于聚丙烯的電性能，但具有優(yōu)異的溫度特性，允許在軍用(-55°C 至 +125°C)溫度范圍內(nèi)使用且參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定并且在高溫下經(jīng)常不會(huì)降額。聚苯硫醚 (PPS) 通常被認(rèn)為是一種可用的替代品，它可能適用于以前使用基于聚碳酸酯的設(shè)備的應(yīng)用。

　　聚酰亞胺

　　聚酰亞胺是一種高溫聚合物，通常以商品名 Kapton 出售，在許多電子應(yīng)用中用作柔性電路的基板。作為電容器應(yīng)用的電介質(zhì)，它提供可與聚酯/PET 相媲美的中等性能，但其高溫穩(wěn)定性使其能夠在超過 200°C 的高溫下運(yùn)行。雖然其高介電強(qiáng)度表明具有良好體積密度的設(shè)備的潛力，但將材料生產(chǎn)為非常薄的薄膜的困難往往會(huì)限制基于這種介電材料的電容器的吸引力/可用性。

　　聚苯乙烯

　　聚苯乙烯薄膜電容器在這一點(diǎn)上基本上已經(jīng)滅絕，主要是因?yàn)檠b配和制造困難以及僅 85°C 的極低溫度耐受性。在適中的工作溫度下，聚苯乙烯電容器的電氣性能非常好，并且在一段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)穩(wěn)定性和電氣性能特征成為驅(qū)動(dòng)選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此類設(shè)備是首選。在大多數(shù)情況下，這些設(shè)備已被聚丙烯薄膜電容器所取代。

　　聚砜

　　聚砜是一種剛性、透明的熱塑性塑料，與聚碳酸酯在電氣和成本高且相對(duì)不可用方面都相似。

　　鐵氟龍/聚四氟乙烯

　　“Teflon”是杜邦公司的一個(gè)商品名，它包含許多含氟聚合物，主要是聚四氟乙烯 (PTFE)，但氟化乙烯丙烯 (FEP) 和其他材料也可以用“Teflon”這個(gè)名稱找到。這些聚合物往往非常穩(wěn)定，并具有作為精密電介質(zhì)的許多令人欽佩的品質(zhì)，包括耐高溫和隨時(shí)間、溫度、電壓和頻率變化的出色穩(wěn)定性等。PTFE 薄膜的機(jī)械性能及其金屬化困難使得生產(chǎn) PTFE基于薄膜電容器是一件困難且昂貴的事情，因此市場(chǎng)上很少有這樣的設(shè)備。

　　什么是云母/聚四氟乙烯電容器?

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　　圖 15：各種封裝形式的云母電容器。(不按比例)

　　裝置構(gòu)造

　　云母是一組天然存在的礦物，其特點(diǎn)是能夠輕松分裂成平坦的薄膜，被稱為“白云母”的特定類型的云母是電容器應(yīng)用的首選。作為電介質(zhì)，云母具有出色的隨時(shí)間和施加電壓的穩(wěn)定性、低溫度系數(shù)、高耐溫性、非常好的介電強(qiáng)度以及在寬頻率范圍內(nèi)的低損耗特性。除了是出色的介電材料外，云母(一種天然存在的礦物)與 PTFE(一種合成含氟聚合物)幾乎沒有任何共同之處，但由于市場(chǎng)上至少有一個(gè)電容器產(chǎn)品系列使用 PTFE 代替云母來獲得某些電容值，標(biāo)題中提到了這兩種材料……云母電容器的結(jié)構(gòu)因應(yīng)用而異，盡管可以在陶瓷和薄膜類型中找到相似之處。無論云母是從一大塊原料上切下的單片，還是由許多小片制成的“紙”，電極/端子附著層(通常是銀)沉積在兩側(cè)，然后單獨(dú)使用(像單層陶瓷器件)像 MLCC 一樣層疊在一起，或者像薄膜電容器一樣纏繞。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰(zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。或者作為由許多小薄片制成的“紙”，電極/端子附著層(通常是銀)沉積在兩側(cè)，然后單獨(dú)使用(如單層陶瓷器件)像 MLCC 一樣分層，或纏繞比如薄膜電容。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰(zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了?；蛘咦鳛橛稍S多小薄片制成的“紙”，電極/端子附著層(通常是銀)沉積在兩側(cè)，然后單獨(dú)使用(如單層陶瓷器件)像 MLCC 一樣分層，或纏繞比如薄膜電容。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰(zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰(zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰(zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。

　　常見用法和應(yīng)用：

　　云母電容器是真空管的現(xiàn)代技術(shù)，在歷史上一直是需要穩(wěn)定、高質(zhì)量電容的首選設(shè)備。與真空管一樣，提供更好性價(jià)比的新技術(shù)已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，并將云母技術(shù)降級(jí)到利基市場(chǎng)，在這些市場(chǎng)中，不常見的應(yīng)力因素(例如核輻射、極端溫度或高壓應(yīng)力)證明云母設(shè)備的成本合理。

　　圖 16：在撰寫本文時(shí) Digi-Key 提供的云母/PTFE 電容器的電容值與額定電壓關(guān)系圖。

　　常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

　　現(xiàn)代云母電容器由于其制造中使用的材料的穩(wěn)定性而往往非?？煽浚⑶覍?duì)于大多數(shù)應(yīng)用目的，可以類似于 C0G 陶瓷設(shè)備進(jìn)行處理。與其他類型的電容器一樣，由于振動(dòng)、沖擊、熱循環(huán)等引起的機(jī)械故障都是可能的，并且由于水分進(jìn)入造成的電極腐蝕也是一個(gè)潛在問題。

　　什么是鉭電容?

　　圖 17：采用各種封裝配置的鉭電容器。(不按比例)

　　設(shè)備構(gòu)造和顯著特征

　　鉭電容器是主要用于需要具有相對(duì)穩(wěn)定參數(shù)的緊湊、耐用設(shè)備的電解設(shè)備，適度的電容和電壓額定值就足夠了。傳統(tǒng)上，鉭在單位體積電容、溫度參數(shù)穩(wěn)定性和壽命方面優(yōu)于鋁電解。鉭在長(zhǎng)時(shí)間放電后一般不會(huì)出現(xiàn)干涸問題或介電退化問題。然而，鉭通常更昂貴，可用電容和電壓值的范圍更有限，由更容易受到供應(yīng)中斷影響的稀有材料制成，并且可能需要在設(shè)計(jì)中特別小心，因?yàn)槟承┳宇愋蛢A向于失效極大的熱情。

　　圖 18：在撰寫本文時(shí) Digi-Key 提供的鉭電容器的電容值與額定電壓關(guān)系圖。

　　圖 18 顯示了在撰寫本文時(shí) Digi-Key 提供的各種鉭電容器的電壓和電流額定值組合。無論子類型如何，鉭電容器的陽極結(jié)構(gòu)都非常相似;將高純度的精細(xì)粉末狀金屬鉭模塑成所需的形狀，并在高溫下燒結(jié)，將單個(gè)金屬粉末顆粒熔合成高度多孔的物質(zhì)，稱為“塊”，其體積具有極高的內(nèi)表面積。然后，電容器的電介質(zhì)在液浴中以電化學(xué)方式形成，產(chǎn)生五氧化二鉭 (Ta 2 O 5) 層覆蓋在金屬塊的整個(gè)內(nèi)表面區(qū)域，與鋁電解電容器的電介質(zhì)形成方式非常相似。從這一點(diǎn)來看，不同鉭亞型的結(jié)構(gòu)有所不同，所采用的不同陰極系統(tǒng)產(chǎn)生了不同類型的特性。

　　Ta/MnO 2 帽

　　目前使用的三種基本陰極系統(tǒng)產(chǎn)生了不同的鉭電容器子類型;二氧化錳 (MnO 2 )、導(dǎo)電聚合物和“濕”。對(duì)于二氧化錳系統(tǒng)，在形成電介質(zhì)后，將鉭塊浸入一系列硝酸錳 (Mn(NO 3 ) 2 ) 溶液中，并在每次浸入后進(jìn)行烘烤，將液體溶液轉(zhuǎn)化為固體(半)導(dǎo)電二氧化錳，從而徹底滲透鉭塊的微觀結(jié)構(gòu)并用作設(shè)備的陰極。然后施加一層界面材料如石墨以保持MnO 2在整個(gè)組件用環(huán)氧樹脂包裝并在裝運(yùn)前進(jìn)行測(cè)試之前，與金屬層(通常是銀)發(fā)生反應(yīng)，以便連接導(dǎo)線。最終產(chǎn)品是固態(tài)電解電容器，具有高比電容、無干涸問題、良好的可靠性、相對(duì)較好的溫度穩(wěn)定性以及相當(dāng)嚴(yán)重的故障模式……因?yàn)殂g-MnO 2 電容器的成分和結(jié)構(gòu)相似對(duì)于鞭炮(一種細(xì)碎的金屬與加熱時(shí)釋放氧氣的物質(zhì)密切混合)，這些電容器以煙火方式失效而聞名，其特征是爆炸和/或猛烈噴出的火焰。因此，建議在選擇和應(yīng)用時(shí)特別小心。

　　軍事/高可靠性/故障安全

　　基本 Ta/MnO 2的一些實(shí)際改進(jìn)電容器技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，并且可以使用減輕或至少量化故障風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)制。指定為軍用產(chǎn)品并根據(jù) MIL 規(guī)范部件號(hào)采購的產(chǎn)品是根據(jù)引用的 MIL 規(guī)范的規(guī)定生產(chǎn)和測(cè)試的，通常包括批次測(cè)試和篩選程序，以建立可靠性的統(tǒng)計(jì)保證。MIL 規(guī)范通常還要求(不符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn))鉛軸承端子表面處理，這有利于系統(tǒng)的整體可靠性，因?yàn)樗档土隋a須形成的風(fēng)險(xiǎn)并降低了組裝過程中的峰值溫度。高可靠性部件通常采用具有不同標(biāo)簽和端子表面處理的 MIL 規(guī)格材料制造，但也可能包含 MIL 規(guī)格管理機(jī)構(gòu)尚未采用的技術(shù)改進(jìn)。在任何情況下，名副其實(shí)的 Hi-Rel 產(chǎn)品將經(jīng)過篩選、測(cè)試和/或老化，以提供可靠性的統(tǒng)計(jì)保證。故障安全設(shè)備包含某種類型的熔斷機(jī)制，以便在短路故障發(fā)展為明火故障之前將其轉(zhuǎn)換為開路故障。這些機(jī)制并不完美，但它們確實(shí)將燃燒失敗的風(fēng)險(xiǎn)降低了幾個(gè)小數(shù)位。

　　鉭聚合物

　　鉭聚合物電容器完全省去了二氧化錳，而是使用導(dǎo)電聚合物作為陰極材料，這幾乎消除了煙火故障的風(fēng)險(xiǎn)。由于所用聚合物材料的電阻相對(duì)于 MnO 2較低，因此鉭聚合物電容器通常具有更好的 ESR 和紋波電流規(guī)格，并且相對(duì)于基于 MnO 2的對(duì)應(yīng)物在高頻下具有更好的性能。聚合物陰極系統(tǒng)的缺點(diǎn)包括更有限的溫度范圍、對(duì)水分更敏感，以及導(dǎo)致更高漏電流的自我修復(fù)效率降低。

　　濕鉭

　　顧名思義，濕鉭電容器在其陰極系統(tǒng)中使用液體電解質(zhì)。由于很難焊接到液體上，因此需要一個(gè)陰極對(duì)電極來完成通過燒結(jié)鉭陽極塊的電路，而這個(gè)對(duì)電極的設(shè)計(jì)是濕鉭器件不同系列之間的區(qū)別之一。現(xiàn)代設(shè)備使用密封/焊接的鉭外殼，與早期采用銀外殼材料和彈性密封件的設(shè)備相比，這種外殼不易發(fā)生電解液泄漏，并且更能容忍偶然的電壓反轉(zhuǎn)。濕鉭器件的主要優(yōu)點(diǎn)是它們的可靠性和相對(duì)較高的比電容;液體電解質(zhì)為電介質(zhì)提供持續(xù)的自愈作用，導(dǎo)致低漏電流和更高范圍的適用工作電壓。然而，由于液體電解質(zhì)的電阻，大多數(shù)濕鉭的 ESR 不是特別好，導(dǎo)致在相對(duì)低頻時(shí)電容損失。濕鉭也相當(dāng)昂貴，大約是同等額定值的鋁電解裝置的 100 倍。總而言之，這些因素使?jié)胥g成為一種利基技術(shù)，主要用于失敗不是一種選擇、金錢不是目標(biāo)的應(yīng)用;空間/衛(wèi)星應(yīng)用、生命攸關(guān)的航空電子系統(tǒng)等。大約是具有可比額定值的鋁電解裝置的 100 倍?？偠灾?，這些因素使?jié)胥g成為一種利基技術(shù)，主要用于失敗不是一種選擇、金錢不是目標(biāo)的應(yīng)用;空間/衛(wèi)星應(yīng)用、生命攸關(guān)的航空電子系統(tǒng)等。大約是具有可比額定值的鋁電解裝置的 100 倍?？偠灾?，這些因素使?jié)胥g成為一種利基技術(shù)，主要用于失敗不是一種選擇、金錢不是目標(biāo)的應(yīng)用;空間/衛(wèi)星應(yīng)用、生命攸關(guān)的航空電子系統(tǒng)等。

　　失效機(jī)制和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　對(duì)于一般的鉭

　　鉭電容器中介電故障的主要原因是形成陽極塊的鉭粉中存在雜質(zhì)。就像高速公路工作人員在道路上畫線時(shí)不費(fèi)心將路障移開時(shí)出現(xiàn)的間隙一樣，鉭中的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致介電層出現(xiàn)缺陷。由于鉭電容器中的電介質(zhì)最初只有幾納米厚，因此即使非常小的雜質(zhì)也會(huì)引起問題。鉭電容器中的其他介電故障是由機(jī)械引起的。作為一種有點(diǎn)脆的玻璃狀物質(zhì)，五氧化二鉭電介質(zhì)在施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)容易破裂。當(dāng)零件組裝到電路板上時(shí)，焊接操作期間的熱膨脹應(yīng)力尤為重要。由于這些應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致在生產(chǎn)時(shí)不存在(因此無法檢測(cè)到)的故障，因此鉭電容器在組裝后首次通電時(shí)出現(xiàn)故障是一種眾所周知的現(xiàn)象。由于聚合物陰極材料(顯然，液體陰極)相對(duì)于二氧化錳更柔軟、更柔韌，因此這些類型比 MnO 具有優(yōu)勢(shì)2基電容器嬰兒死亡率方面。

　　對(duì)于基于 MnO 2的設(shè)備

　　Ta/MnO 2電容器的自愈機(jī)制基于 MnO 2材料熱分解為導(dǎo)電性低得多的 Mn 2 O 3。當(dāng)故障點(diǎn)附近的泄漏電流導(dǎo)致局部溫度升高到足夠高時(shí)，向故障點(diǎn)提供電流的 MnO 2陰極材料區(qū)域會(huì)發(fā)生故障，從而使故障點(diǎn)與進(jìn)一步的電流流動(dòng)隔離開來。不幸的是，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生松散的氧氣：2(MnO 2 ) + (能量) --> Mn 2 O 3+ O。成功的自愈事件和煙火式失敗之間的區(qū)別在于，這種氧氣是否會(huì)在足夠高的溫度下找到鉭金屬以自動(dòng)點(diǎn)燃。環(huán)境溫度和可用于在故障點(diǎn)引起歐姆加熱的電氣故障電流量都是影響結(jié)果的因素。

　　MnO 2設(shè)計(jì)考慮

　　雖然建議仔細(xì)研究制造商的應(yīng)用文獻(xiàn)，但為不耐煩的人提供以下有關(guān) Ta/MnO 2電容器應(yīng)用的指南：

　　使用串聯(lián)電阻：限制可用于故障的外部電流大大降低了故障點(diǎn)達(dá)到臨界點(diǎn)火溫度的機(jī)會(huì)。從歷史上看，建議使用每施加伏特 1 至 3 歐姆的串聯(lián)電阻?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)可能無法承受如此大的 ESR，并且如果突然出現(xiàn)故障，較大的設(shè)備在充電時(shí)可能會(huì)包含足夠的電能以自燃。在這些情況下，降額和設(shè)備篩選尤為重要。

　　降額電壓：為了(顯著)提高穩(wěn)態(tài)可靠性，將設(shè)備從額定電壓降額一半，當(dāng)串聯(lián)電阻極低時(shí)降額高達(dá) 70%，大約為每施加伏特 0.01 歐姆或更低。如果電流受到外部限制，那么低至 20% 的降額就足夠了。建議使用進(jìn)一步的(復(fù)合)溫度降額系數(shù)，從 0 @ 85°C 線性增加到 33% @ 125°C，盡管高溫產(chǎn)品系列可能有所不同。

　　小心老化：由于組裝引起的介電故障，許多鉭故障發(fā)生在組裝設(shè)備的首次通電時(shí)。通過限流源逐漸施加電壓來促進(jìn)成功的自我修復(fù)可能會(huì)避免其中一些故障。隨后暴露于最大預(yù)期電氣和環(huán)境應(yīng)力將作為驗(yàn)證測(cè)試，因?yàn)? Ta/MnO 2電容器一旦承受給定的一組應(yīng)力，就可能幾乎無限期地承受這些應(yīng)力。

　　限制瞬態(tài)電流：應(yīng)避免超過制造商規(guī)定的浪涌電流限制的電流，包括非常規(guī)事件引起的電流，例如電池或電源的熱插拔、系統(tǒng)輸出的短路故障等。在沒有浪涌電流規(guī)范的情況下，建議使用值I max

　　遵守紋波電流/溫度限制：紋波電流額定值通?；谑乖O(shè)備溫度高于環(huán)境溫度產(chǎn)生給定升高所需的紋波量。除了產(chǎn)生的波形會(huì)違反電壓或浪涌電流限制的情況外，紋波電流限制是一個(gè)熱管理問題。評(píng)估數(shù)據(jù)表紋波限制數(shù)字指定的測(cè)試條件，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件調(diào)整這些限制。

　　用于聚合物和濕鉭

　　當(dāng)它們確實(shí)發(fā)生故障時(shí)，鉭聚合物電容器往往會(huì)變成一個(gè)熱電阻，而不是迅速膨脹的熱氣體和彈片云。由于這一點(diǎn)以及組裝引起的缺陷風(fēng)險(xiǎn)降低，他們的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法則稍微簡(jiǎn)單一些：將電壓降額 20%，遵守推薦的紋波電流限值，并在高溫下遵循制造商推薦的降額時(shí)間表。對(duì)于濕鉭，能夠證明部件成本合理的應(yīng)用類型也可能需要逐個(gè)部件地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的可靠性分析，從而使經(jīng)驗(yàn)法則不如在其他應(yīng)用中可能有價(jià)值. 因此，建議采用 20% 的標(biāo)準(zhǔn)降額系數(shù)，并建議用戶注意這些設(shè)備中常見的相對(duì)較低的頻率響應(yīng)特性。

　　什么是氧化鈮電容器?

　　圖 19：氧化鈮電容器。

　　設(shè)備構(gòu)造和顯著特征

　　氧化鈮電容器在結(jié)構(gòu)上類似于鉭和二氧化錳 (Ta/MnO 2 ) 器件，使用燒結(jié)氧化鈮 (NbO) 代替金屬鉭作為陽極材料。主要由 AVX 生產(chǎn)，作為 Ta/MnO 2電容器的替代品，這種電容器不會(huì)在發(fā)生故障時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的爆燃傾向，并且還具有改善原材料供應(yīng)物流的潛力，氧化鈮電容器與鉭聚合物器件競(jìng)爭(zhēng)各種的應(yīng)用程序。氧化鈮電容器的結(jié)構(gòu)類似于 Ta/MnO 2器件;陽極材料由高度多孔、海綿狀的鈮(一)氧化物(NbO)組成，其上有一層鈮(五)氧化物(Nb 2 O 5) 建立起來，并在其周圍建立二氧化錳對(duì)電極，其方式類似于常見的 Ta/MnO 2設(shè)備?；阝壗饘?而非氧化物 NbO)和聚合物電解質(zhì)技術(shù)的電容器也已開發(fā)，但在撰寫本文時(shí)尚未大量生產(chǎn)。

　　圖 20：在撰寫本文時(shí) Digi-Key 提供的氧化鈮電容器的電容值與額定電壓關(guān)系圖。

　　為什么是鈮?

　　千禧年之交需求旺盛導(dǎo)致鉭供應(yīng)短缺，導(dǎo)致鉭電容器在一個(gè)季節(jié)成為稀有且昂貴的物品，導(dǎo)致生產(chǎn)難題，從而推動(dòng)了基于鈮的設(shè)備的開發(fā)。相對(duì)于主要用于電子工業(yè)的鉭，鈮在自然界中的含量估計(jì)高出 20 倍左右，并且還廣泛用作鋼鐵生產(chǎn)中的合金元素，其用量遠(yuǎn)大于電子工業(yè)所需的量目的。在開始時(shí)有更多的材料和電子行業(yè)不是它的主要買家之間，原材料的長(zhǎng)期供應(yīng)前景被認(rèn)為有利于鈮而不是鉭。

　　應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

　　氧化鈮/二氧化錳電容器與鉭電容器相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诎l(fā)生災(zāi)難性故障時(shí)通常不會(huì)點(diǎn)燃。這歸因于與鉭相比，點(diǎn)燃氧化鈮所需的能量要大得多，以及二次自愈效應(yīng)，其中暴露在故障部位的氧化鈮陽極材料被進(jìn)一步氧化成導(dǎo)電性較低的狀態(tài)。在這兩種效應(yīng)之間，據(jù)說經(jīng)歷災(zāi)難性故障的氧化鈮電容器的行為是 Kohm 范圍內(nèi)的高阻抗短路;一個(gè)足夠高的值以防止由此產(chǎn)生的故障電流提供足夠的能量以在額定電壓下點(diǎn)燃設(shè)備。相對(duì)于Ta/MnO 2器件，NbO/MnO 2目前的電容器在性能方面有點(diǎn)落后，僅限于 10 V 或更低的額定電壓，泄漏電流大約是鉭電容器的兩倍，單位體積的電容略低，以及超過 85°C 的更高溫度降額。另一方面，“不會(huì)起火”是一個(gè)非常好的特性，更好的原材料可用性問題提供了降低成本的希望。盡管解決煙火電容器問題的鉭聚合物方法似乎越來越受歡迎，但據(jù)說氧化鈮技術(shù)在長(zhǎng)期使用壽命和環(huán)境耐受性方面仍具有優(yōu)勢(shì)，特別是在高濕度應(yīng)用中。如果沒有其他原因，它是一項(xiàng)有趣的技術(shù)，僅僅是因?yàn)橥ㄟ^銷售和

　　應(yīng)用注意事項(xiàng)

　　氧化鈮電容器的耐火特性允許基于 NbO 的設(shè)備相對(duì)于其基于鉭的對(duì)應(yīng)物具有更積極的應(yīng)用。雖然使用 Ta/MnO 2電容器進(jìn)行設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法則是將電壓降額 50%(如果串聯(lián)電阻非常低，則降額更多)，基于 NbO 的設(shè)備 (AVX) 的領(lǐng)先制造商建議降額僅 20% 的電壓足以安全運(yùn)行。超出這些水平的額外降額可以顯著提高兩種設(shè)備類型的長(zhǎng)期可靠性。此外，由于器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和固態(tài) MnO 2電解質(zhì)的熱機(jī)械特性得以保留，因此建議氧化鈮電容器的用戶注意組裝過程引起的潛在故障。

　　什么是硅和薄膜電容器?

　　圖 21：各種封裝形式的硅和薄膜電容器。(不按比例)

　　設(shè)備構(gòu)造和顯著特征

　　硅和薄膜電容器是一種相對(duì)較新的設(shè)備，使用從半導(dǎo)體行業(yè)借來的工具、方法和材料生產(chǎn)。這些技術(shù)提供的對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的精確控制使生產(chǎn)的電容器具有出色的參數(shù)穩(wěn)定性、最小的 ESR 和 ESL、廣泛的工作溫度能力，并且與 1 類陶瓷類型設(shè)備相比具有更好的單位體積電容他們最直接地競(jìng)爭(zhēng)。它們的主要缺點(diǎn)包括成本高，以及相關(guān)的可用電容值范圍相對(duì)有限。通?；谘趸?氮化物電介質(zhì)，“薄膜”和“硅”電容器之間的區(qū)別在某種程度上是一種營銷讓步，盡管內(nèi)部和內(nèi)部存在顯著差異 兩者之間取決于預(yù)期的應(yīng)用。針對(duì) RF 調(diào)諧和匹配應(yīng)用的設(shè)備往往是低電容單層設(shè)備，針對(duì)參數(shù)穩(wěn)定性和一致性進(jìn)行了優(yōu)化，并且通常采用標(biāo)準(zhǔn) JEDEC 封裝尺寸。相比之下，用于電源去耦、寬帶直流阻斷和類似應(yīng)用的器件允許更大的公差，有利于實(shí)現(xiàn)更高的比電容，并且更有可能在適應(yīng)先進(jìn)組裝方法(例如引線鍵合或嵌入在印刷電路板。然而，無論預(yù)期應(yīng)用如何，薄膜和硅電容器系列中的器件都是高性能產(chǎn)品，并且價(jià)格相應(yīng)，在撰寫本文時(shí)，價(jià)格是具有類似電容和電壓額定值的陶瓷設(shè)備價(jià)格的 5 到 5000 倍左右。設(shè)計(jì)為高精度設(shè)備的部件主要與基于 C0G (NPO) 電介質(zhì)的陶瓷電容器競(jìng)爭(zhēng)，作為射頻和微波應(yīng)用的更高性能替代品。雖然這些 I 類陶瓷器件非常好，并且經(jīng)過幾十年的改進(jìn)，它們本身也接近理想狀態(tài)，但制造特性的差異使得薄膜/硅器件在器件和制造批次之間的一致性方面要好一些。更高容量的薄膜/硅電容器與基于 X7R 和 X8R 電介質(zhì)的 II 類陶瓷更直接地競(jìng)爭(zhēng)，用于去耦和寬帶直流阻斷應(yīng)用。為了這些目的，

　　圖 22：硅和薄膜電容器的電容值與額定電壓的關(guān)系圖。

　　什么是微調(diào)電容器和可變電容器?

　　圖 23：各種樣式和封裝類型的微調(diào)和可變電容器。(不按比例)

　　設(shè)備構(gòu)造和顯著特征

　　微調(diào)電容器和可變電容器是提供在一定范圍內(nèi)可變電容的設(shè)備，這兩個(gè)術(shù)語之間的差異主要是設(shè)計(jì)意圖之一;“微調(diào)”電容器在其使用壽命期間通常只需要調(diào)整幾次，而“可變”電容器需要進(jìn)行常規(guī)調(diào)整。使用了許多不同的結(jié)構(gòu)類型，但幾乎沒有例外，它們屬于靜電類型，并通過改變電極之間的有效表面積、它們之間的距離或兩者來實(shí)現(xiàn)其可調(diào)節(jié)性。

　　圖 24：在撰寫本文時(shí) Digi-Key 提供的微調(diào)電容器和可變電容器的電容值與額定電壓的關(guān)系圖。

　　一種常見的設(shè)計(jì)方法類似于共用軸上的兩個(gè)小輪子，每個(gè)輪子上鍍有半圓形(或類似形狀)的電極材料。通過改變兩個(gè)“輪子”相對(duì)于彼此的旋轉(zhuǎn)角度，可以改變它們之間的有效電容。除此之外，根據(jù)給定應(yīng)用的需要，改變每個(gè)“輪子”上電極的形狀可以在旋轉(zhuǎn)調(diào)整角度和設(shè)備電容之間產(chǎn)生不同的關(guān)系。該方法的一個(gè)變體可能涉及使用蝸輪或類似的機(jī)械裝置來改變兩個(gè)“輪子”的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，以便在設(shè)備的變化范圍內(nèi)提供更高的調(diào)節(jié)分辨率。其他設(shè)計(jì)包括可變活塞電容器，它通過改變同心圓筒之間的重疊程度來工作，

　　常見用法和應(yīng)用

　　微調(diào)電容器和可變電容器通常用于射頻電路中的調(diào)諧和匹配應(yīng)用。通過將機(jī)械指示器掃過刻度(或反之亦然)來指示所選調(diào)諧頻率的無線電接收器通常在指示器和調(diào)諧電路中使用的可變電容器之間具有機(jī)械連接。大多數(shù)此類接收器采用較舊的老式或較低成本/質(zhì)量設(shè)計(jì)，但現(xiàn)代應(yīng)用可能仍包括用于微調(diào)或校準(zhǔn)目的的微調(diào)電容器。另一方面，可變電容器(設(shè)計(jì)用于頻繁調(diào)整的那種)是一種瀕臨滅絕的物種。使用由更好的制造公差和更新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的替代設(shè)計(jì)技術(shù)，使特有的笨重、漂移、機(jī)械笨重，

　　常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　可以在微調(diào)器和可變電容器中發(fā)現(xiàn)的器件結(jié)構(gòu)的廣泛變化排除了本文對(duì)它們的具體優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的擴(kuò)展討論。然而，如果考慮靜電電容器背后的基本原理，通?？梢酝ㄟ^觀察來辨別給定設(shè)備的優(yōu)點(diǎn);任何影響電介質(zhì)、電極幾何形狀或電極定位的因素都會(huì)影響器件電容。例如，空氣電介質(zhì)設(shè)備在給定設(shè)置下會(huì)隨著大氣壓力、溫度和濕度的變化而表現(xiàn)出電容變化，因?yàn)樗羞@些因素都會(huì)在很小程度上影響空氣的介電常數(shù)。同樣，真空介質(zhì)電容器也會(huì)受到泄漏或真空損失的影響。從機(jī)械的角度來看，最終組件的剛度會(huì)影響電容在機(jī)械沖擊或振動(dòng)方面的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也會(huì)影響隨時(shí)間漂移的趨勢(shì)。電容器快速參考指南 下一頁的表格提供了不同電容器類型及其相對(duì)優(yōu)點(diǎn)的簡(jiǎn)要總結(jié)，大致按照每種類型提供的電容數(shù)量減少(或質(zhì)量增加)排列。

　　圖 25：電容器快速參考指南。