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多层陶瓷电容挑战高温 |
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| http://cn.newmaker.com
11/13/2007 2:52:00 PM
佳工机电网
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一系列专门设计用于SMPS的叠层式陶瓷电容具有传统陶瓷电容的热性能，而没有它们的机械缺陷，从而实现了更高的可靠性和工作温度。
越来越多的应用需要可以在严峻环境条件下运行的电子元件。石油钻探、混合机车和航天就是这样的应用实例，在那里电子元件必须在极高的温度下运行。例如，用于石油储量探测中使用的电子设备可能会暴露在超过200℃的温度中，同时还要经受巨大冲击和振动。
特定元件类型可能会有其它要求。例如，这些应用中的电容器必须能提供大电流，并且还需在较大的电压范围内运行。为在开关模式电源中使用而专门开发的新型叠层式陶瓷电容器技术采用了特制的电介质和高温焊料，来满足严峻环境和电气要求。
先前的解决方案
采用200℃陶瓷电容器之前，电子系统通常处于相对安全的环境中，如飞机机身内，甚至是远程温度控制室中。然而，这增加了到电源的距离。结果是电源电缆内的损失极大，并且还需要较大的电源和其它滤波方可克服这些问题。例如，看见喷气式发动机的引擎机架内包含陶瓷电容器也就很平常了。
在35,000英尺高的地方，气温约为-50℃，并且这种环境下的电源不会暴露在大量热量中。然而，5至10分钟内，飞机可以从这种温度极低、海拔较高的地方转移到温度相对较高的地面（跑道和引擎产生的热量引起的）上，从而导致温度迅速上升到40℃以上。同样，井下开采环境（在那里使用专用设备来探测石油储量）也存在极端的温度转变。
为了满足这些要求，AVX在高温陶瓷电容器的基础上开发了叠层式电容器设计。利用该设计制成的电容器是SMX系列的成员。SMX产品设计用于满足各种条件的要求，如25 Vdc至500 Vdc的额定电压和340 μF的电容（电压为25Vdc时）。要创造该技术必须克服很多设计约束。
叠层式电容器必须能经受住日常应用的冲击和振动，并且可以在200℃的温度下工作。为此，使用了特殊的高温焊料来将结构的引线框架粘到堆栈中各个电容器的壳体上。该焊料的熔点远远超过了250℃，并且接近300℃使用由X7R电介质材料组成的传统电容器还有另一个缺点，随着温度的升高电容会损失。某些传统电容器的电容损失超过80%。叠层式电容器采用了特制电介质，在200℃的温度下可以将该损失降至额定电容值的50%。
SMX电容器的主要特性之一是在温度-55℃~200℃和频率范围内保持电容的能力。并且，这些电容设计用于经受跟恶劣环境与关键任务应用有关的剧烈冲击和振动。一般来说，陶瓷电容带有因电路板挠曲或施加给电路板的其它机械应力导致的裂缝。AVX开发了一种专用工艺来减轻这些应力，并且使得电容器能够在这些应力环境中运行。同时，这些电容器还具有极低的ESR和ESL，这使它们特别适于大电流、高功率电路或者吸收极端瞬变。这些因素结合起来使之成为理想的缓冲器、输出/输入滤波器、DC转换器、解耦或旁路电容器。
极端应用的要求
过去，有几种竞争电容技术用于极端应用中，但主要是液体钽电容器。叠层式陶瓷电容器的优势源自这些器件的电介质材料。从传统上来说，ESR最低的电容器就是陶瓷电容器，并且通过将这些置于并行堆栈中，我们可以获得ESR更低、电流更大的优势以及浪涌处理功能。在ESR方面，大多数陶瓷电容器通常要比液体钽电容器的低，某些情况下差别还很大。典型地，钽电容器的ESR比其等效陶瓷电容器的高很多，因此需要更多的电容来克服ESR。陶瓷电容还是非极性的，这赋予了它更大的自由度。可能，最重要的是陶瓷电容设计用于处理极有可能导致等效钽电容器发生严重故障的大电路和电源浪涌。陶瓷电容可用于很大的频率范围内，而典型的液体钽电容器的工作频率在1kHz左右。
很多工程师忽略的一点就是工作条件下的电容损失。这些条件可以是频率、电压和温度组合。例如，如果设计调用10 μF的电容，工程师通常要么规定使用高得多的电容（考虑到该电容损失），要么将多个电容器并列。这两种选项都会极大地增加设计成本和PC板尺寸。
X7R电容器设计用于在-55℃至125℃的温度范围内运行。X8R电容器设计用在高达150℃的温度下运行。SMX系列（X9U，带有贵金属电极系统）的电介质组成使得用户能够在高达200℃的温度下操作电容器，并且仍然保持X8R电介质出色的电容-温度特性。对于整个工作温度范围内的几个数据点，实际上高温X9U电介质的性能高于典型等效X8R陶瓷电容器的性能。
电容器可靠性评估
电容器最关键的特性之一是预测电容器在延长期限内的表现。例如，大电解式输出电容器的可靠性是使用其的SMPS的失效率的主要因素。处理温度和潜在热诱导故障时，通常使用阿雷尼乌斯图来预测结果。阿雷尼乌斯图对于找到某种工艺的活化能(EA)而言很有用。关系到大量变量温度的函数。例如，在高温电容器中，阿雷尼乌斯图可以把泄漏电流投射成1000/T的函数(其中T是绝对温度，K)。这介绍了实际条件方面的信息，在这些条件下自由载体被释放，这种状态会让电容器变得不稳定。
该信息与电容器的预期寿命直接相关。跟任何电子元件一样，施加到器件上的电压和温度越高，器件的预期寿命越短。
该预期寿命是电容器和电介质的主要设计参数。AVX进行了SMX高温陶瓷电容器的扩展测试。初始测试将器件纳入加速测试计划，折合成150多万小时的使用寿命。初始实验室测试结果表明200℃的温度和完全额定电压下每1000小时的失效率为0.43%。实际环境和工作结果得到了极大改善，并且在20,000小时的实际操作过程中实现了零失效率。
高温电容器可用于各种应用，在这种情况下工作温度超过了150℃。他们还是未来系统中的有效设计选项，如无人勘探平台(可能出现超过300℃的温度)。
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