Особенности выбора танталовых конденсаторов Xiangyee по номинальному напряжению

26 июня

Сергей Сотников (КОМПЭЛ)

Китайская компания Xiangyee – ведущий азиатский производитель танталовых и тантал-полимерных конденсаторов мирового уровня. Статья расскажет, как выбрать этот компонент по номинальному напряжению, чтобы снизить вероятность его отказа в процессе включения питания устройства.

Твердотельные танталовые конденсаторы на основе диоксида марганца MnO₂ характеризуются достаточно высоким уровнем базовой интенсивности отказов (FR – failure rate). Следует отметить, что большинство отказов твердотельных танталовых конденсаторов происходит во время включения питания устройства – это самый тяжелый режим для тантала во всем его рабочем цикле.

Чтобы снизить вероятность отказа компонента в устройстве, танталовые конденсаторы следует выбирать с учетом реальных условий эксплуатации. Для этого необходимо следовать базовым рекомендациям и учитывать поправки и понижающие коэффициенты (derating) по напряжению, температуре и току. Общая интенсивность отказов выражается в виде формулы 1:

$$FR=F_{v}\times F_{t}\times F_{r}\times F_{b},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

• F_v – поправочный коэффициент снижения напряжения постоянного тока;
• F_t – поправочный коэффициент рабочей температуры;
• F_r – поправочный коэффициент добавленного последовательного сопротивления;
• F_b – базовый уровень интенсивности отказов (1%/1000 единиц⋅часов).

Критически важным параметром для танталового конденсатора является правильно выбранное номинальное напряжение. В реальных условиях эксплуатации напряжение на конденсаторе представляет собой сумму следующих типов напряжений (рисунок 1):

• напряжение смещения постоянного тока (V_dc);
• пульсирующее напряжение переменного тока (V_ripple);
• пиковые выбросы и всплески напряжения (V_surge).

Рис. 1. Суммарное напряжение на танталовом конденсаторе

Сумма этих напряжений (реальное рабочее напряжение) ни в коем случае не должна превышать номинальное напряжение выбираемого конденсатора. Под номинальным напряжением подразумевается то, которое указано в технической документации (datasheet) и «кодируется» в артикуле самого конденсатора (далее V_rated).

Именно номинальное, а не рабочее напряжение указывается в наименовании танталового конденсатора (рисунок 2).

Рис. 2. Расшифровка наименования танталового конденсатора Xiangyee

Это означает, что постоянное напряжение в линии, приложенное к конденсатору, должно быть строго ниже номинального, чтобы оставался запас для пульсирующего напряжения переменного тока, а также любых возможных переходных процессов и всплесков.

Стандартные танталовые конденсаторы, используемые при температуре 85°C и с приложенным напряжением, равным номинальному, а также с последовательным резистором 1 Ом (на каждый вольт номинального напряжения) имеют базовую интенсивность отказов FR = 1% на 1000 рабочих часов. Если приложенное напряжение меньше номинального, и/или температура меньше 85°C, и/или резистор > 1 Ом (на каждый приложенный вольт), то интенсивность отказов FR может быть значительно уменьшена. Большинство производителей танталовых конденсаторов рекомендуют снижать напряжение постоянного тока (относительно номинального значения), чтобы уменьшить вероятность пробоя диэлектрика при включении/выключении устройства, тем самым повысив долгосрочную надежность конденсаторов. Обычно рекомендуется, чтобы приложенное напряжение (рабочее) составляло от 0,6 до 0,5 от номинального. Для номинальных напряжений ≥ 35 В рекомендован еще более высокий коэффициент снижения. В таблице 1 показан практический подход к снижению напряжения для нескольких популярных шин питания.

Таблица 1. Рекомендации по выбору запаса номинального напряжения

При подборе танталовых конденсаторов дополнительно к понижающим коэффициентам по напряжению также стоит обращать внимание и на температурную поправку. Рабочая температура танталовых конденсаторов (в частности для серии CA45) лежит в диапазоне от -55 до 125°C, при этом максимальное рабочее напряжение (далее напряжение категории, V_category) равно его номинальному значению (V_rated) только в диапазоне от -55°C до 85°C включительно! Далее оно начинает линейно уменьшатся вплоть до уровня \(\frac{2}{3}\times V_{rated}\) при максимальной рабочей температуре 125°C (рисунок 3).

Рис. 3. Зависимость коэффициента Напряжение категории/Номинальное напряжение от температуры

Таким образом, если разработчик выбирает танталовый конденсатор для высокотемпературного применения (>85°C), нужно учитывать, что безопасное рабочее напряжение эксплуатации конденсатора должно быть снижено до уровня 60…65% от его базового номинального значения. И это снижение должно быть компенсировано изначальным выбором более высокого номинального напряжения с запасом не менее 50%. Разница между напряжением категории и номинальным напряжением в диапазоне повышенных температур 85…125°C также указывается в технической документации, пример для нескольких номиналов приведен в таблице 2.

Таблица 2. Соотношение напряжения категории и номинального напряжения для температур: до 85°C и до 125°C

Корректный выбор номинального напряжения танталовых конденсаторов вкупе с выбором надежного и проверенного производителя позволяет свести к минимуму риски выхода этого компонента из строя.

Одним из крупнейших производителей танталовых конденсаторов, поставляющих свою продукцию на российский рынок, является компания Xiangyee. Компания Xiangyee (Hunan Xiangyee Electronic Technology Co., Ltd.) – профессиональная научно-исследовательская и опытно-конструкторская база по разработке и производству танталовых конденсаторов в Китае. Компания имеет более чем 30-летнюю историю исследований и производства танталовых конденсаторов при годовом объеме выпуска более 500 миллионов штук.

Xiangyee производит как классические, стандартные танталовые конденсаторы, так и инновационные компоненты, выполненные по тантал-полимерной технологии. Номенклатура производителя включает в себя следующие основные серии:

• CA45 – базовая серия танталовых конденсаторов общего применения;
• CA45L – танталовые конденсаторы категории Low ESR с низким эквивалентным сопротивлением;
• CA55 – полимерные конденсаторы повышенной надежности со сверхнизким ESR.

Компания Xiangyee обладает современными автоматизированными производственными линиями, что позволяет поддерживать высокую стабильность параметров продукции.

На предприятии внедрены передовые технологии контроля качества, начиная от закупки сырья и заканчивая финальным тестированием готовых изделий, включая автоматизированные системы по измерению емкости, тангенса угла потерь (DF), тока утечки и ESR.

Качество продукции компании Xiangyee было дополнительно подтверждено результатами внутренних тестов, проведенных в испытательном центре российской компании «ИРЗ ТЕСТ». В рамках проведенного тестирования были измерены основные характеристики танталовых конденсаторы Xiangyee: номинальная емкость, устойчивость к повышенному напряжению, ESR, градиент температур, в сравнении с такими же сериями других крупных производителей (Vishay, Kemet и AVX).

Анализ результатов тестирования показал, что танталовые конденсаторы Xiangyee полностью соответствуют заявленным значениям, указанным в технической документации и не уступают по параметрам аналогичным конденсаторам ведущих мировых производителей.

У российских разработчиков электроники есть возможность более детально изучить и опробовать продукцию Xiangyee в своих изделиях и разработках. Для этих целей компанией КОМПЭЛ была разработана обширная складская программа, предлагающая более 175 различных конфигураций конденсаторов Xiangyee общим объемом более 3,5 млн штук.

Дополнительные материалы/Техническая документация

•   XIANGYEE каталог (23.73 Мб)