大容量片式钽电容器的测试及安装使用要求
1.0说明
本文件涉及的内容均为南京14所使用的大容量片式钽电容器的测试、安装和使用所制定。本文件涉及的产品测试和安装及使用方法要求均符合GJB-2283-95的相关规定。 2.0测试和筛选
2.1需要进行的测试参数和仪表如下：
2.1.1容量和损耗：测试频率：100Hz 交流测试电压1V ，直流偏置电压2.2V。
合格范围：见双方达成的具体技术协议及合同规定。
2.1.2等效串联电阻ESR：测试频率：100Hz 交流测试电压1V ， 直流偏置电压2.2V 。
合格范围;：见双方达成的具体技术协议及合同规定。
2.1.3室温直流漏电流;：测试电压：额定电压，充电时间：容量大于100uF 的产品为15秒。
合格范围：K≤0.002CRUR
高温直流漏电流： 测试电压：额定电压，充电时间：20秒 合格范围：K≤0.01 CRUR 2.1.4.容量变化率：
+3测试温度：−55+0−5℃，+125−0℃
需要的测试仪器：容量和损耗及ESR：同惠TA2819A或者安捷伦4263B 漏电流：同惠TH2685C 3.0.安装
为了保证本产品焊接性能良好并具有较好的抗氧化性，本产品焊接端子镀层使用锡铅合金镀层，因此，本产品必须使用适合含铅元件的焊接方法和焊接工艺。 3.1. 如果使用红外回流焊，推荐的焊接温度条件见下曲线： 温度曲线参考如下：
升温部Ⅰ 常温 预热部30-60S 预热部 140-160℃ 60-120S 升温部Ⅱ 预热 200℃ 20-40S
正式加热220-240℃ 峰值5秒钟（见下图） 冷却部 200-100℃之间 1-4℃/S
1 / 8
3.2. 如果使用手工焊，请务必遵守以下建议或规定：
（1）防止烙铁头温度过高
手工焊接片式元件，最高的焊接温度不能超过300度，由于烙铁头温度与其功率成正比，因此，如果使用大于30W的烙铁头，例如使用50W的烙铁头，其表面温度就会达到500度左右，这样高的温度，当烙铁头与元件机体紧密接触时，会在瞬间就导致元件经受超过容许值的猛烈热冲击。在此温度冲击下，元件内部微观物理结构会由于过大的热胀冷缩现象而出现过大变化，随之导致元件基本物理性能受到破坏或影响，产品可能会失效。
（2）不能使用烙铁头加热元件
在手工焊接时不使用电路板加热台对电路板和元件进行预热而直接对元件进行焊接，当元件体积较大时，元件的热容量也较大，未经预热的元件的机体温度无法马上达到焊锡的融化温度，因此，一下子焊不上。于是，如果先使用烙铁头贴到元件机体上对元件先进行急速加热，待元件温度升高到一定值时再焊接。这样的方法可以直接导致元件内部物理结构因急速的热胀冷缩而出现过大的变化，因此，非常容易导致元件电性能破坏。
（3）组装密度很高但仍然使用手工焊接
由于手工的操作精度不稳定，对于元件组装密度高的电路板，使用手工焊接，一不小心，就有可能把微小的锡珠掉落到部线密度很高，而线间距很小的电路板上造成短路。
对于元件组装密度高的电路板，既不能使用手工焊接，也不能使用容易导致元件在焊盘上易发生错位的波峰焊。
2 / 8
（4）使用调温电烙铁
很多公司都在广泛使用调温电烙铁，从安全性的问题出发，如果现场管理不严格，不知觉中很容易出现超温焊接的现象。另外，如果操作者自己追求焊接速度，把温度调高，焊接后的故障很难查找，隐患严重。从科学管理的角度看，适合于维修的调温电烙铁显然不应该在生产线上被广泛使用。
（5）线路板加热台温度过低，预热效果形同虚设
有些操作者为了在夏天不被面前的加热台弄的不舒服，会暗中把加热台设定温度调的过低，预热效果基本没有，仍然在使用烙铁头加热产品。出现问题后不承认焊接问题会导致质量问题。
合适的预热台温度应该在100度以上，如果使用手工焊接，这是必须的辅助条件。 4.0.使用注意事项
4.1.滤波电路中使用的片式钽电容器的性能选择
滤波电路是片式钽和氧化铌电容器最常用电路，电容器使用在此类电路中的作用主要是为了过滤掉直流信号中的交流杂波，由于电路中可能存在的交流纹波杂波的频率不同，不同阻抗等级的电容器只能适合于不同的纹波频率滤波要求，因此，为了保证较好的滤波效果，一定要根据电容器容量和频率及阻抗大小来选择电容器种类和电容器阻抗值的高低。
电容器的阻抗 ESR和容量C及测试或滤波频率f之间的关系见下式：
ESR= tgδ/2πfC
这里：f是频率，单位是Hz，C是电容器的容量，单位为法拉。ESR 测试条件是：20℃-30℃ 和 100KHz。
tgδ是电容器的损耗，单位是%，是指电容器的无功功率和总输入功率的比值。 ESR是阻抗的成分之一，在高频时(100KHz和以上) ，它成为支配因素，因此，ESR 和阻抗在低频时几乎变成同一回事，阻抗只是在测试频率的两个极限边缘处上稍高。ESR的高低实际上可以衡量电容器的高频特性如何，ESR低的产品可以保证电容器在频率较高时仍然具有合适的滤波效果，而ESR偏大的产品，如果使用在滤波电路，会由于阻抗在高频下向感抗转化而导致容量下降幅度变大，因此，滤波效果将变差。即使经过滤波电容器，直流信号中的交流纹波信号波幅将仍然偏大。因此，使用在滤波电路中的电容器，必须尽可能具有更低的阻抗（ESR）才能保证较好的滤波效果。
3 / 8
另外，由于不同阻抗的电容器只能过滤掉不同频率的交流纹波，在选择电容器类型和阻抗高低时，必须首先知道电路中需要过滤掉的交流纹波的频率到底是多少，通过上面的公式可以计算出使用的电容器的阻抗等级高低，不宜直接先用试验的方法来判断选择的电容器容量及ESR和种类是否合适。
一般来讲，ESR低的产品的滤波特性将更好是一个普遍原则。但是，ESR还对电容器的工作可靠性影响很大，这是因为ESR偏高的产品在通过的交流纹波较高时产品会发热，如果ESR过大，电路中的交流纹波又偏高，那么就有可能出现热击穿现象。不同ESR大小的电容器可以安全承受的交流纹波电流和交流纹波电压见下式：
使用在滤波电路中的电容器中实际的功率损耗可以利用下面的公式计算：
P=I2 × ESR……………….公式 1
这里：P：功率损耗(瓦特)
I：波纹电流(安倍) ESR：等效串联电阻(Ω)
表 1 额定损耗
壳号 P A B C D E F 最大功率损耗(瓦特 25℃) 0.025 0.075 0.085 0.110 0.150 0.18 0.24 片式钽电容器可以安全承受的交流波纹电流
利用表1中的最大功率损耗，可以利用下面的公式计算最大波纹电流(Arms)：
I= P/ESR×K×F………………….公式 2
4 / 8
这里：K：温度降额因子….表 2
F：频率降额因子……表 3 ESR：参考额定值
表2:温度降额因子K
温度 25℃ 85℃ 125℃ 温度降额因子K 1 0.9 0.4
表3:频率降额因子F
频率 降额因子K 10KHz 0.80 100 KHz 1.00
可以安全承受的交流波纹电压E利用公式3计算：
E=Z×I………………………….. 公式 3
这里：E：波纹电压
Z：具体频率下的阻抗 I：纹波电流
值得非常注意的是，由于滤波电路肯定都是阻抗很的开关电源电路，因此，在每次开关机时，电路中必然存在一个持续时间达到纳秒级的大电流高电压脉冲，此脉冲对电路中的元件的可靠性破坏性巨大，尤其是会导致电容器瞬间过压过流太高而突然击穿，从而导致根本不能承受大电流和高电压的大规模集成电路瞬间烧毁，因此，在电路设计时，必须采用保护性设计[具体电路设计请参考我公司技术文档[开关电源电路的可靠性保护设计]。同时使用电压不能超过额定电压的1/3。
4.2.脉冲充放电电路中片式钽电容器的性能选择
5 / 8
500 KHz 1.15 1MHz 1.20 脉冲充放电电路使用的片式钽电容器，一般都是用来作为电路的二级或次级瞬时电源，通过一定频率的突然放电为后续功率性元件提供高功率密度的能量，此类电路中使用的电容器一般都具有较大的容量和较高的额定电压。
由于电容器在瞬间通过大电流时自有阻抗会导致电容器发热，因此，不同阻抗的电容器可以安全承受的直流浪涌电流见下式： I=UR/1+ESR
这里：UR就是该电容器的额定电压，1是指放电回路的电路电阻。 ESR就是电容器的等效串联电阻。
从上式中可以看出，如果电容器的ESR更低，将可以承受更高的直流浪涌电流冲击，可靠性因此也将更高。
对于在脉冲充放电电路使用的片式固体钽电容器可靠性有重要影响的因素，除了钽电容器本身的性能外，降额多少也会有决定性影响。对于充放电回路电阻小于3欧姆/伏特，由于充电瞬间会产生一个能量密度非常高的脉冲电压和脉冲电流，因此，使用到此类电路的片式钽电容器，工作电压不能超过额定电压的50%。如果充放电回路电阻大于3欧姆/伏特，最高工作电压可以达到额定电压的70%。当然，必须考虑在高温时的降额要求。如果不考虑温度影响，如果充放电回路电阻高于钽电容器标准的漏电流测试时串联电阻1000欧姆，原则上可以在接近额定电压下使用，此时电容器仍然可以维持很高的可靠性。因为如果充放电回路电阻较高，瞬间过大的浪涌电压将被完全抑制，浪涌电流将大幅度下降，因此，施加在此类电路中钽电容器上的电压将较为平稳。电流将很小[实际电流大小取决于串接电阻高低]。
使用在脉冲充放电电路中的片式钽电容器，对其可靠性有决定性影响的除了工作电压和功率外，充放电回路电阻高低一样可以对电容器的可靠性有决定性的影响。 4.3.不同电路功率密度要求和电容器工作电压及容量之间的数学关系
如果电路正常工作时的输入功率为P，储能电容的容量为C，其两端的电压为U1，则电容储存的能量为：
W1=C（U12）/2
当输入电源掉电后，经过时间t，电容两端的电压为U2，此时电容剩余的能量为
W2=C（U22）/2
6 / 8
在这一过程中储能电容释放的能量
W=W1-W2=C（U12- U22）/2
它应该等于电路维持正常工作所需的能量
W=Pt（即输入功率乘以时间）
所以有
C（U12- U22）/2=Pt
由此就可以得到电路维持时间t所需的最小电容量为
C=2Pt/（U12- U22）
在实际应用中，U2是电路能够正常工作的最低输入电压。 举例：
若电路正常工作时的输入电压为28V（U1），输入功率为30W（P），能够正常工作的最低输入电压为18V（U2），要求输入电源掉电50毫秒（t）时电路仍然能够工作，则所需储能电容的最小的电容量为
C=2 Pt/（U12- U22） =2×30×50/（282-182） =3000/（784-324） =6.522mF=6522uF
一个使用在电源电路前端的储能电容器，输入电压是50V，当短电后，电容器开始为后续电路提供能量， 在提供能量75W时，必须保持电压不低于18V，请计算需要的电容量。
此电路还需要一个准确的回路电阻。回路电阻大小决定需要的电容器的容量大小。 此电路中各参数性能的换算公式如下：
C=R*Pt*T/U1-U2
式中；
C：需要的电容量
7 / 8
R：回路总电阻
Pt：回路需要保持的功率 T：回路功率保持时间 U1：输入电压
U2：能够保持一定功率和放电时间的电压
使用在脉冲充放电电路中的电容器，对可靠性影响有决定性影响的是电容器的实际耐压，由于各家公司生产的相同规格的片式钽电容器的实际耐压相差较大，实际耐压不够的电容器就不断出现失效问题。
钽电容器的实际漏电流和实际耐压及介质层绝缘之间存在如下关系：
I=U/R
此式现在并不能等同于欧姆定律来简单理解，它只能这样理解：当电容器的漏电流较大时，其实际耐压就会下降，绝缘电阻也会下降。
换句话说，实际漏电流更小的电容器的实际耐压将更高，因此，电容器的可靠性将更高，特别是钽电容器在高温状态下的漏电流大小将对电容器使用在大功率放电电路中的可靠性有决定性的影响。 5.0.补充说明
（1）如果对此文件在任何疑问，请在正式使用前与我公司相关技术负责人进行商议。 （2）鉴于电容器生产厂家具有更专业的测试和筛选设备，因此，使用方也可与我公司签订现场验收协议，对定购的电容器与生产厂家一同进行现场测试和检验，以减少人为失误。
8 / 8
