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所有铁电材料电容都会老化,我们如何去应对?

时间:2022-10-31 16:28:55来源:21ic电子网

导语:​我们可以根据可用数据为 X7R 电容器建立比较图表。显示了 DC 偏置、温度和时间老化对现代应用可能选择的两个电容器的累积影响。

太阳集团网址首页  来自制造商数据的两个 X7R、0603 尺寸电容器的比较。两者都假定具有 5V 偏置并在 70 摄氏度下工作。即使其中一个部件的初始电容是两倍,但在 100,000 小时时的最终结果要接近得多。所有数据均基于制造商的数据表,估计老化 100,000 小时。

太阳集团网址首页  第一个电容是 1µf, 25V, 0603 尺寸,第二个是 2.2µf, 10V, 0603 尺寸,两者都假定偏置为 5V,工作温度为 70 o C。100,000小时的总老化是由于正常老化,加上直流偏置,加上工作温度,从参考手册推断为 -25% 最坏情况。请注意:上面的关键词是“外推”,因为我没有自己的数据来支持这一点。

太阳集团网址首页  即使是项的这种线性乘法相加也具有误导性,因为在任何情况下总和不可能大于可能的 80% 电容下降总和。这是因为当所有的磁偶极子 100% 排列整齐时,材料仍然会有一些剩余的介电常数。因此,这种情况比表 1 所示的简单的餐巾背面线性计算更为复杂。

  更有可能的是下面的情况,它仅来自几家制造商发布的关于直流偏置效应的数据。下面确实显示了当电介质材料偶极子排列从 0%(完全随机)增加到 100%(完全排列)时电容器的电容会发生什么变化,这代表了直流偏置、工作温度和老化的绝对最坏情况结合。通过研究几家制造商的直流偏置与电容变化曲线绘制了一张图,并推断该曲线显示了可能的电容变化与 X7R 电容器介电材料偶极子排列的关系。0% 是随机对齐(左侧 x 轴),100% 是当偶极子对齐时(右侧 x 轴),显示大约 80% 可能的总电容损耗。

  结论

  对我来说,这一切的收获是:

太阳集团网址首页  1) 在 2017 年的“大电容器短缺”之后,当制造商争先恐后地满足订单和替代品(已知和未知)时,X7R 零件的行为方式让我遇到了严重的问题。我发现 DC 偏压下的电容下降更严重,以及在看似相同的零件编号出现短缺之前和之后生产的电容器批次之间的其他参数问题。

太阳集团网址首页  这让我对信任已有数十年历史的制造商发布的信息持怀疑态度,尤其是在技术变化如此之快的情况下。即使您进行了自己的可靠性研究,您也无法确定下一次电容器短缺何时会再次改变所有配方并使一切化为乌有。

太阳集团网址首页  2) 关于随着直流偏置和升高的工作温度而增加老化率的最新信息似乎表明,在 10 年后,设计人员可能明智地在预期 X7R 电容下降的基础上再增加 25%,因为老化 + 工作温度 + 直流偏置老化效应。这是由于容差、温度系数和 DC 偏压导致的初始电容下降。

  3) 这种加速的直流偏置 + 升高的工作温度电容下降表明,使用高温、加速寿命测试至少 1000 小时可能有助于了解预期寿命更长的产品的预期真实电容变化。注意:您不能超过 90 o C,以免在测试电容器时使电容器老化。

  4) 使用低额定电压,在高工作电压百分比下运行的高电容 X7R 电容器可能会对开关电源的大容量输出滤波产生问题,其中电容用于稳定控制回路,特别是如果您必须达到更长的工作时间寿命。在高温下测试至少 1000 小时,或使用另一种久经考验的真正电容器技术,如钽或铝电解电容器,以满足您的大容量电容需求。

  5) 使用低额定电压、在高工作电压百分比下运行的高电容 X7R 电容器可能适用于低压差稳压器 (LDO) 输出滤波应用。在这些应用中,可能需要最大串联电阻值,也许还需要一些最小电容值,但在这些值的相反极端情况下,通常仍会提供稳定的稳压器。检查监管机构的数据表进行验证。

  6) 由于 X7R 是所有其他 2 类介电电容器中最好的,因此似乎强烈建议 X5R 仅用于多兆赫数字电路上的高频旁路,其中电容器最重要的方面是串联电感而不是任何电容值。

  我查看了制造商发布的两种常见 0603 尺寸 X7R 电容器类型的电容与直流偏置数据。第一个是常见的 0.1µF、50V,用于去耦,第二个是高密度 1µF、10V 类型。可以看出,每个制造商都有不同的 X7R 电介质配方,并且会根据电容器的额定电压而变化。当您遇到短缺并选择其他“等效”零件编号时,请记住这一点,它可能不像您想象的那么等效!

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