凡大量使用過片式鉭電容器的電子工程人員,可能都碰到過這樣的現象; 使用的片式鉭電容器在測試和篩選時性能合格,但是,安裝上板后進行加電測試時卻不斷出現擊穿短路的產品.
出現此現象的原因簡單分析有二;
1.使用的片式鉭電容器性能存在嚴重的質量缺陷;
由于片式鉭電容器是一個通用元器件,它可以使用到各種電子電路中作為濾波或瞬時放電電源,對于用途不同的電路,整機供電功率差別非常大,電路中的電信號強度差別甚至可以達到百倍以上,例如手機上使用的片式鉭電容器和大功率電源上使用濾波電容器和放電電容器.由于它們的使用條件不同,因此,國家標準必須覆蓋所有的使用條件要求,因此,對電容器可靠性起決定作用的漏電流指標就放的很寬; 漏電流只要滿足K≤0.01CR×UR[CR是額定容量,UR是額定電壓],一般情況下,在使用電池供電的功率較低的個人用電子產品上就不會出現問題,而在功率較大的電子整機上使用,滿足上述指標又根本不能保證可靠性.
因此,根據電路供電功率和可靠性使用條件不同,必須選擇可靠性不同的片式鉭電容器. 特別是軍用電子電路,甚至必須考慮到電容器的魯棒性如何.
本文分析的前提是你必須選擇正確的,質量不存在問題的片式鉭電容器. 對于因為選用質量不高的片式鉭電容器引起的故障不再進行分析.
2.質量不存在問題的片失鉭電容器為什么在加電測試時仍然有可能出現擊穿短路的問題?
造成此問題的原因如下;
2.1.外接電源進行加電測試時的回路電阻過低,導致測試加電的瞬間浪涌電壓和浪涌電流過大,電容器上實際承受了遠遠超過容許值的過壓沖擊和過流沖擊.
必須重視的是,在加電測試時,由于回路電阻過低而導致浪涌過高與電路單獨實際工作時,電容器的工作條件完全不同.
此類電路基本上是開關電源電路[也叫DC-DC電路].我們的很多用戶對此類低阻抗電路的電信號特征了解的不夠或認識不清楚;因此,在選擇電容器規(guī)格時,沒有考慮到在開關的瞬間,電路中會出現一個持續(xù)時間極短[小于1微秒],能量密度極高的電壓和電流脈沖.此脈沖的瞬間電壓可以達到穩(wěn)態(tài)電壓的2-10倍,電流可以瞬間達到穩(wěn)態(tài)電流的十倍以上.
因此,在電容器的額定電壓選擇上偏低,有時候容量也不夠.導致電容器在加電測試時瞬間過壓過流而失效.
在電容器正常工作時,電源往往由單獨供電的電池組成,因此,開關的瞬間加在電容器上的電壓非常穩(wěn)定,電流也比工業(yè)電網小很多,加之電路中一般都要加裝抑制浪涌的保護電路,所以,實際使用時不會存在加電測試時的過壓和過流現象.
有些工程師認為,只有經過不限流的工業(yè)電網的大功率開機測試,才能保證電路在實際工作時的可靠性達到要求;而依我看,這樣的認識非常錯誤,甚至極度有害.原因如下;
1.不加保護電阻的大功率電源送電測試會產生過高的浪涌電壓,此浪涌電壓會瞬間遠超過電容器的實際耐壓,此點請電路設計者必須必須認識非常到位,不要再因為自己認識錯誤而導致電路經受過壓和過流沖擊,導致總的可靠性下降.
進行魯棒性測試有很多方法,合理的實驗方法必須仔細選擇,不合理的實驗和檢驗實際上有可能導致元件可靠性反而受損.任何一只片式鉭電容器它可以安全承受的極限直流浪涌電流見下式;
I=UR/1+ESR
上式中,I是某只片式鉭電容器容許承受的極限直流電流.UR是該只產品的額定電壓.1是指該電路的回路電阻.ESR是該只產品的實際等效串聯(lián)電阻.
從上式中可以得到如下結論;
1.任何一只片式鉭電容器的可以安全承受的直流浪涌電流都不同;額定電壓越高的產品可以承受更大的直流浪涌電流.
2.ESR越低的產品可以安全承受的直流浪涌電流越高.而容量越大的產品ESR越低.因此,在考慮可靠性時,容量大的產品不光可以擁有更大的輸出功率,而且可靠性更高.
3.回路電阻越大,電容器上就可以承受更高的浪涌電流沖擊,反過來理解;回路電阻越高,通過電容器的過高浪涌就會被抑制.理解此點非常重要.
根據以上分析,可知道為了避免片式鉭電容器在加電測試時出現突然失效,必須注意如下幾點;
1.使用工業(yè)外接電源進行加電測試時,必須考慮被加電電路容許的最大直流浪涌承受能力.某電路可以承受的安全最大浪涌電流必須以電路中某只元件的最大容許值為限. 充放電電路中的最大峰值放電電流不能超過某元件的最大容許值的50%. 工業(yè)外接電源的過大浪涌峰值電壓電流必須通過阻值合適的電阻進行限流.
一句話;使用外接工業(yè)電源進行整機加電測試,必須在輸入端加裝阻值合適的電阻進行浪涌限制. 不能使用低電阻的外接電源直接對電子整機進行突然的加電測試.
2.使用在大功率濾波電路和放電電路里的電容器前面必須加裝合理的延時保護電路. 保護電路的設計可以參考我的博客文章[開關電源電路的可靠性保護設計].
3.使用外接電源進行電子整機進行性能和可靠性測試時必須保證輸入電路電信號特點與實際應用條件接近. 不能對電子整機或分電路進行破壞性的性能測試而導致整機可靠性下降.
遺憾的是,我的上述分析基本源于中國大陸地區(qū)的很多電路設計和應用,有些甚至在軍用行業(yè).許多電路設計師都因為經驗不足而對此認識不夠或錯誤,
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