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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、增加可靠性和運行壽命。當施加接近其額定極限的電壓和暴露在高溫下時，此類組件的性能會下降。通過選擇限制施加的電壓，可以減少這種退化效應(yīng)。
陶瓷電容器是當今使用的最常見的電容器類型之一，這要歸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)點之一是其最大電壓的標稱值很高。當它們的額定電壓略有超過時，它們的電容會下降而不會出現(xiàn)任何重大故障。如果暴露在遠遠超出額定最大值的電壓下，它們的陶瓷材料往往會擊穿，從而導致金屬板之間的短路。假設(shè)過流保護到位，這種故障模式將相對溫和。
需要考慮的一個重要因素是，陶瓷電容器的電容值會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，這種減少會顯著影響電路的運行。這種效果受到組件物理尺寸的強烈影響。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）。當信號處理電路中的陶瓷電容器兩端存在直流偏置電壓時，這種效應(yīng)可能會產(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電壓可能會加劇或減輕這種變化，具體取決于其極性，從而導致與信號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)峰值信號電壓和直流偏置電壓計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，可以解決這個問題。這可能需要仔細選擇具有滿足設(shè)計人員要求的介電特性的組件。疊加在偏置電壓之上的信號電壓可能會加劇或減輕這種變化，具體取決于其極性，從而導致與信號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)峰值信號電壓和直流偏置電壓計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，可以解決這個問題。這可能需要仔細選擇具有滿足設(shè)計人員要求的介電特性的組件。疊加在偏置電壓之上的信號電壓可能會加劇或減輕這種變化，具體取決于其極性，從而導致與信號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)峰值信號電壓和直流偏置電壓計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，可以解決這個問題。這可能需要仔細選擇具有滿足設(shè)計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)峰值信號電壓和直流偏置電壓計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，可以解決這個問題。這可能需要仔細選擇具有滿足設(shè)計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)峰值信號電壓和直流偏置電壓計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，可以解決這個問題。這可能需要仔細選擇具有滿足設(shè)計人員要求的介電特性的組件。
對陶瓷電容器的另一個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)，但隨著時間的推移，電壓的變化率會使陶瓷材料退化，從而縮短組件的壽命并增加故障概率。
一個普遍的經(jīng)驗法則是，陶瓷電容器的電壓標準應(yīng)至少降低 25%，但在它們會受到電壓紋波效應(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)至少是正常運行時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)系可以得到更準確的計算。通常，制造商通過在擊穿電壓上加上基于經(jīng)驗和判斷的余量來計算最大額定電壓。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算中占主導地位；研究表明，金屬元素對結(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)測的可靠性在指定范圍內(nèi)。設(shè)計人員應(yīng)用的任何降額將作為制造商降額系數(shù)的補充，用于根據(jù)擊穿電壓計算最大額定電壓。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)測的可靠性在指定范圍內(nèi)。設(shè)計人員應(yīng)用的任何降額將作為制造商降額系數(shù)的補充，用于根據(jù)擊穿電壓計算最大額定電壓。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)測的可靠性在指定范圍內(nèi)。設(shè)計人員應(yīng)用的任何降額將作為制造商降額系數(shù)的補充，用于根據(jù)擊穿電壓計算最大額定電壓。
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，或者可能導致電路板布局和布線方面的其他挑戰(zhàn)。在可能存在機械振動的環(huán)境中，較大的部件也會增加部件內(nèi)破裂的風險。與所有設(shè)計決策一樣，需要仔細考慮某些后果。