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陶瓷電容器的電壓降額
陶瓷電容器的電壓降額
在低于最大額定電壓的情況下運(yùn)行幾乎任何類型的電容器都可以提高性能、增加可靠性和運(yùn)行壽命。當(dāng)施加接近其額定極限的電壓和暴露在高溫下時(shí)，此類組件的性能會(huì)下降。通過選擇限制施加的電壓，可以減少這種退化效應(yīng)。
陶瓷電容器是當(dāng)今使用的最常見的電容器類型之一，這要?dú)w功于它們的緊湊性和表面貼裝封裝的可用性。他們的名字來源于建筑材料；它們由金屬糊和陶瓷粉末的交替層構(gòu)成，然后烘烤以固化陶瓷材料。由于它們是非極化元件，因此它們可用于交流和直流電路，并具有一系列電容值，非常適合用于耦合、去耦和濾波電路。
陶瓷電容器的優(yōu)點(diǎn)之一是其最大電壓的標(biāo)稱值很高。當(dāng)它們的額定電壓略有超過時(shí)，它們的電容會(huì)下降而不會(huì)出現(xiàn)任何重大故障。如果暴露在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額定最大值的電壓下，它們的陶瓷材料往往會(huì)擊穿，從而導(dǎo)致金屬板之間的短路。假設(shè)過流保護(hù)到位，這種故障模式將相對(duì)溫和。
需要考慮的一個(gè)重要因素是，陶瓷電容器的電容值會(huì)隨著組件兩端的電壓接近最大額定電壓而降低。在某些組件中，這種減少會(huì)顯著影響電路的運(yùn)行。這種效果受到組件物理尺寸的強(qiáng)烈影響。與具有相同額定值的 0603 SMD 陶瓷電容器相比，1206 SMD 陶瓷電容器失去額定電容的速度要慢得多。這種效應(yīng)在具有高介電常數(shù)的元件中也更為突出，例如具有 Class II 類型介電特性的器件（例如，B/X5R 和 R/X7R）。當(dāng)信號(hào)處理電路中的陶瓷電容器兩端存在直流偏置電壓時(shí)，這種效應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生問題。偏置電壓可以顯著降低影響基本電路工作特性的總電容。疊加在偏置電壓之上的信號(hào)電壓可能會(huì)加劇或減輕這種變化，具體取決于其極性，從而導(dǎo)致與信號(hào)電壓成正比的電容變化。由于電容的變化，綜合效應(yīng)是非線性性能。通過確保根據(jù)峰值信號(hào)電壓和直流偏置電壓計(jì)算的電容器兩端的最大電壓保持在組件電容特性的區(qū)域內(nèi)，電容變化最小，可以解決這個(gè)問題。這可能需要仔細(xì)選擇具有滿足設(shè)計(jì)人員要求的介電特性的組件。疊加在偏置電壓之上的信號(hào)電壓可能會(huì)加劇或減輕這種變化，具體取決于其極性，從而導(dǎo)致與信號(hào)電壓成正比的電容變化。由于電容的變化，綜合效應(yīng)是非線性性能。通過確保根據(jù)峰值信號(hào)電壓和直流偏置電壓計(jì)算的電容器兩端的最大電壓保持在組件電容特性的區(qū)域內(nèi)，電容變化最小，可以解決這個(gè)問題。這可能需要仔細(xì)選擇具有滿足設(shè)計(jì)人員要求的介電特性的組件。疊加在偏置電壓之上的信號(hào)電壓可能會(huì)加劇或減輕這種變化，具體取決于其極性，從而導(dǎo)致與信號(hào)電壓成正比的電容變化。由于電容的變化，綜合效應(yīng)是非線性性能。通過確保根據(jù)峰值信號(hào)電壓和直流偏置電壓計(jì)算的電容器兩端的最大電壓保持在組件電容特性的區(qū)域內(nèi)，電容變化最小，可以解決這個(gè)問題。這可能需要仔細(xì)選擇具有滿足設(shè)計(jì)人員要求的介電特性的組件。由于電容的變化，綜合效應(yīng)是非線性性能。通過確保根據(jù)峰值信號(hào)電壓和直流偏置電壓計(jì)算的電容器兩端的最大電壓保持在組件電容特性的區(qū)域內(nèi)，電容變化最小，可以解決這個(gè)問題。這可能需要仔細(xì)選擇具有滿足設(shè)計(jì)人員要求的介電特性的組件。由于電容的變化，綜合效應(yīng)是非線性性能。通過確保根據(jù)峰值信號(hào)電壓和直流偏置電壓計(jì)算的電容器兩端的最大電壓保持在組件電容特性的區(qū)域內(nèi)，電容變化最小，可以解決這個(gè)問題。這可能需要仔細(xì)選擇具有滿足設(shè)計(jì)人員要求的介電特性的組件。
對(duì)陶瓷電容器的另一個(gè)影響是暴露于額定電壓限制內(nèi)的快速瞬變。雖然電壓保持在限制范圍內(nèi)，但隨著時(shí)間的推移，電壓的變化率會(huì)使陶瓷材料退化，從而縮短組件的壽命并增加故障概率。
一個(gè)普遍的經(jīng)驗(yàn)法則是，陶瓷電容器的電壓標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)至少降低 25%，但在它們會(huì)受到電壓紋波效應(yīng)的環(huán)境中，這應(yīng)該增加到至少 50%。組件的最大額定電壓應(yīng)至少是正常運(yùn)行時(shí)可施加到組件上的最大電壓的兩倍。
查看擊穿電壓和最大額定電壓之間的關(guān)系可以得到更準(zhǔn)確的計(jì)算。通常，制造商通過在擊穿電壓上加上基于經(jīng)驗(yàn)和判斷的余量來計(jì)算最大額定電壓。擊穿電壓由用于構(gòu)造陶瓷電容器的材料的特性以及材料中是否存在缺陷決定。制造過程的質(zhì)量越高，擊穿電壓就越高——受所用材料的限制。有趣的是，電容值越高，任何制造缺陷對(duì)擊穿電壓的影響就越小。以陶瓷為基礎(chǔ)的絕緣材料特性在計(jì)算中占主導(dǎo)地位；研究表明，金屬元素對(duì)結(jié)果的影響很小。擊穿電壓通常由電介質(zhì)內(nèi)的極化過程而不是任何電擊穿決定。制造商通過識(shí)別組件工作特性內(nèi)的區(qū)域來確定擊穿電壓。與電壓相關(guān)的質(zhì)量保持在設(shè)備所需的限制范圍內(nèi)，其預(yù)測(cè)的可靠性在指定范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)用的任何降額將作為制造商降額系數(shù)的補(bǔ)充，用于根據(jù)擊穿電壓計(jì)算最大額定電壓。與電壓相關(guān)的質(zhì)量保持在設(shè)備所需的限制范圍內(nèi)，其預(yù)測(cè)的可靠性在指定范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)用的任何降額將作為制造商降額系數(shù)的補(bǔ)充，用于根據(jù)擊穿電壓計(jì)算最大額定電壓。與電壓相關(guān)的質(zhì)量保持在設(shè)備所需的限制范圍內(nèi)，其預(yù)測(cè)的可靠性在指定范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)用的任何降額將作為制造商降額系數(shù)的補(bǔ)充，用于根據(jù)擊穿電壓計(jì)算最大額定電壓。
要記住的一件事是，乍一看，過度降額組件可能是最安全的策略，但這將導(dǎo)致選擇物理上更大或更昂貴的組件。所需的額外電路板空間可能不可行，或者可能導(dǎo)致電路板布局和布線方面的其他挑戰(zhàn)。在可能存在機(jī)械振動(dòng)的環(huán)境中，較大的部件也會(huì)增加部件內(nèi)破裂的風(fēng)險(xiǎn)。與所有設(shè)計(jì)決策一樣，需要仔細(xì)考慮某些后果。