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《日科干货》钽电容失效、爆炸、烧毁原因简析

日期: 2018-08-28
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经常碰到很多客户讨论钽电容爆炸问题,特别在开关电源、LED 电源等行业,钽电容烧毁或爆炸是令研发技术人员最头痛的,让他们百思不得其解。正因为钽电容失效模式的危险性,让很多研发技术人员都不敢再使用钽电容了。其实如果我们能够全面的了解钽电容的特性,找到钽电容失效(表现形式为烧毁或爆炸)的原因,钽电容并没有那么可怕。毕竟钽电容的好处是显而易见的。钽电容失效的原因总的来说可以分为钽电容本身的质量问题和电路设计问题两大类,质量问题先不考虑,本次我们先来解析一下电路设计问题。

电路设计和产品选型

要求钽电容的产品性能参数可以满足电路信号特点。但是,往往我们不能保证上述两项工作都做的很到位。因此,在使用过程中就必然会出现这样那样的失效问题;现简单总结如下:

1. 低阻抗电路使用电压过高导致的失效

对于钽电容器使用的电路,只有两种:有电阻保护的电路和没有电阻保护的低阻抗电路。


对于有电阻保护的电路,由于电阻会起到降压和抑制大电流通过的效果。因此,使用电压可以达到钽电容器额定电压的 60%。


没有电阻保护的电路有两种:


一、前级输入已经经过整流和滤波, 输出稳定的充放电电路.在此类电路,电容器被当作放电电源来使用,由于输入参数稳定没有浪涌,因此,尽管是低阻抗电路,可安全使用的电压仍然可以达到额定电压的 50%都可以保证相当高的可靠性。


二、电子整机的电源部分。电容器并联使用在此类电路, 除了要求对输入的信号进行滤波外,往往同时还兼有按照一定频率和功率进行放电的要求. 因为是电源电路, 因此,此类电路的回路阻抗非常低,以保证电源的输出功率密度足够. 在此类开关电源电路中 [也叫 DC-DC 电路], 在每次开机和关机的瞬间,电路中会产生一个持续时间小于 1 微秒的高强度尖峰脉冲,其脉冲电压值至少可以达到稳定的输入值的 3 倍以上,电流可以达到稳态值的10 倍以上。由于持续时间极短,因此,其单位时间内的能量密度非常高, 如果电容器的使用电压偏高,此时实际加在产品上的脉冲电压就会远远超过产品的额定值而被击穿。因此,使用在此类电路中的钽电解电容器容许的使用电压不能超过额定值的 1/3. 如果不分电路的回路阻抗类型,一概降额 50%, 在回路阻抗最低的 DC-DC 电路,一开机就有可能瞬间出现击穿短路或爆炸现象.在此类电路中使用的电容器应该降额多少,一定要考虑到电路阻抗值的高低和输入输出功率的大小和电路中存在的交流纹波值的高低.因为电路阻抗高低可以决定开关瞬间浪涌幅度的大小。内阻越低的电路降额幅度就应该越多。对于降额幅度大小,切不可一概而论. 必须经过精确的可靠性计算来确定降额幅度。

2.电路峰值输出电流过大(使用电压合适)

钽电容器在工作时可以安全承受的最大直流电流冲击 I,与产品自身等效串联电阻 ESR 及额 定电压 UR 存在如下数学关系:

I=UR/1+ESR

如果一只容量偏低的钽电容器使用在峰值输出电流很大的电路,这只产品就有可能由于电流 过载而烧毁.这非常容易理解。

3. 钽电容器等效串联电阻 ESR 过高和电路中交流纹波过高导致的失效

当某只 ESR 过高的钽电容器使用在存在过高交流纹波的滤波电路,即使是使用电压远低于 应该的降额幅度, 有时候,在开机的瞬间仍然会发生突然的击穿现象; 出现此类问题的主要 原因是电容器的 ESR 和电路中的交流纹波大小严重不匹配. 电容器是极性元气件,在通过交 流纹波时会发热,而不同壳号大小的产品能够维持热平衡的容许发热量不同.由于不同容量 的产品的 ESR 值相差较高,因此,不同规格的钽电容器能够安全耐受的交流纹波值也相差很 大, 因此,如果某电路中存在的交流纹波超过使用的电容器可以安全承受的交流纹波值,产品 就会出现热致击穿的现象.同样,如果电路中的交流纹波一定,而选择的钽电容器的实际 ESR 值过高,产品也会出现相同的现象。

一般来说,在滤波和大功率充放电电路,必须使用 ESR 值尽可能低的钽电容器. 对于电路中 存在的交流纹波过高而导致的电容器失效问题,很多电路设计师都忽略其危害性或认识不够. 只是简单认定电容器质量存在问题. 此现象很多。

4 . 钽电容器漏电流偏大导致实际耐压不够

此问题的出现一般都由于钽电容器的实际耐压不够造成.当电容器上长时间施加一定场强时, 如果其介质层的绝缘电阻偏低,此时产品的实际漏电流将偏大.而漏电流偏大的产品,实际耐压就会下降。

出现此问题的另外一个原因是关于钽电容器的漏电流标准制定的过于宽松,导致有些根本不具备钽电解电容器生产能力的公司在生产质量低劣的钽电容器. 普通的室温时漏电流就偏大的产品,如果工作在较高的温度下,其漏电流会成指数倍增加,因此其高温下的实际耐压就会大幅度下降. 在使用温度较高时就会非常容易出现击穿现象。

高温时漏电流变化较小是所有电容器生产商努力的最重要目标之一,因此,此指标对可靠性 的决定性影响不言而愈.

如果你选择使用的钽电容器的漏电流偏大,实际上它已经是废品,出问题因此成为必然.

5 .钽电容器使用时的生产过程因素导致的失效

很多用户往往只注意到钽电容器性能的选择和设计,而对于贴片钽电容安装使用时容易出现的问题视而不见,举例如下:

A, 不使用自动贴装而使用手工焊接, 产品不加预热,直接使用温度高于300度的电烙铁较长 时间加热电容器,导致电容器性能受到过高温度冲击而失效.
B,手工焊接不使用预热台加热,焊接时一出现冷焊和虚焊就反复使用烙铁加热产品.
C,使用的烙铁头温度甚至达到 500 度. 这样可以焊接很快,但非常容易导致片式元气件失效。

贴片钽电容实际使用时的可靠性实际上可以通过计算得出来,而我们的很多用户使用时设计 余量不够,鲁棒性很差,小批实验通过纯属侥幸,在批生产时出现一致性质量问题. 此时,问题 原因往往简单被推到电容器生产商身上,忽略对设计可靠性的查找. 钽电容器使用时的无故 障间隔时间 MTBF 对于很多用户来讲还是一个陌生的概念. 很多使用者对可靠性工程认识 肤浅.过于重视实验而忽略数学计算. 导致分电路设计可靠性比整机可靠性低,因此,批量生 产时不断出现问题. 不懂得失效是一个概率问题,非简单的个体问题.实际上钽电容器使用时 容易出现的故障原因和现象还很多, 无法在此一一论述.如果有使用时的新问题,可以及时交流。



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