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電阻電容的降額設(shè)計要求

作者: 時間:2024-10-30 來源:硬件筆記本 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202410/464128.htm

01



[1]:上存在不超過1s的脈沖負荷時要同時滿足瞬態(tài)降額要求。脈沖大于1s時仍然按照穩(wěn)態(tài)降額評估。


[2]:降額需要同時滿足功率、電壓和溫度的降額要求。


01

平均功率


計算平均功率時,電壓使用Vrms有效值,當(dāng)電壓不是恒定值時計算需要考慮脈沖狀態(tài),如時鐘匹配電阻。需要注意,額定功率值廠家有時使用峰值功率,有時使用平均功率。

采購的絕大多數(shù)電阻額定環(huán)境溫度Ts為70℃,所以如果能保證電阻器工作溫度在70℃以下,采用60%功率降額即可。如果電阻器工作溫度高于70℃,則需要按照公式計算。


02

脈沖功率


脈沖功率按照單脈沖、多脈沖來劃分。不同系列電阻的單脈沖峰值功率曲線不同,而不同廠家的多脈沖評估方法可能存在差異,具體應(yīng)用時需要查閱廠家資料。

峰值脈沖功率Pm在不同脈寬下的值不同,一般來說Pm會以圖表的形式呈現(xiàn)在電阻的datasheet中,如下圖所示:


(1)這里脈沖寬度ti以矩形波為準(zhǔn),如下圖所示是脈寬為t1的矩形波,評估該波形下的Pm可以直接將ti=t1,之后在圖表中得到對應(yīng)的Pm值:


(2)非矩形波脈沖需要轉(zhuǎn)換成矩形波再查閱表格確定Pm的值,以下是幾種典型非矩形波脈沖的轉(zhuǎn)換方法,在這里t1是等效脈寬:


(3)多脈沖波形的峰值脈沖功率Pm按照脈寬t1、通斷比t2/t1(上面給出的圖表例子中,多脈沖的通斷比tp/ti=1000),t1和t2定義如下:


(4)環(huán)境溫度高于70℃時,需按照溫度曲線進一步降額:


03

穩(wěn)態(tài)電壓


穩(wěn)態(tài)電壓要求不超最高工作電壓Ur的70%。Ur取 (Pr*R)0.5 值與同系列最高使用電壓中的較小值。

如某0.25W/1MΩ的電阻,(Pr*R)0.5=500V,查閱廠家手冊,最高使用電壓為250V,則最高工作電壓Ur取值為250V。


04

脈沖電壓


脈寬<1s時,若無特殊規(guī)定,峰值脈沖電壓Um取同系列電阻的最高過負荷電壓。

脈寬≥1s時,按穩(wěn)態(tài)電壓的要求降額。



02


與電阻一樣,存在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)兩種工作狀態(tài)。


電壓電流的瞬時變化波形脈寬≥1s,或者周期性的電壓/電流可以視為穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下,存在某一點(區(qū)域)對應(yīng)器件某項參數(shù)的最大應(yīng)力,則可以稱為穩(wěn)態(tài)條件下該項應(yīng)力最壞情況。


瞬態(tài)工作條件為波形脈寬<1s,且非周期性電壓/電流。


劃分環(huán)境溫度的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)依據(jù):一定時間內(nèi)(天),異常溫度(一般為高溫)時長不超過整個時長的1%為瞬態(tài),反之則為穩(wěn)態(tài)工作環(huán)境。瞬態(tài)工作環(huán)境下,該區(qū)域中某一點對應(yīng)器件某項參數(shù)的最大應(yīng)力,稱為瞬態(tài)條件下的該項應(yīng)力最壞情況。對穩(wěn)態(tài)工作環(huán)境來說,則是穩(wěn)態(tài)條件下該項應(yīng)力最壞情況。


01

非固體鋁電解


非固體鋁電解電容的封裝有插裝和貼片兩種,降額的要求相同。


紋波電流(Irms)

電容器件在應(yīng)用中的紋波電流可以大于額定值,但不應(yīng)超出安全應(yīng)用區(qū)域。如果應(yīng)用中電容的充放電電流超出安全應(yīng)用區(qū)域,需要具體評估應(yīng)用風(fēng)險。在計算安全應(yīng)用區(qū)域時,需要注意按照頻率系數(shù),將紋波電流折算到額定紋波電流的相同頻率上。電容的安全應(yīng)用區(qū)域定義如下圖所示:


壽命估計


一般來說,單板采用的電容使用壽命需要≥80%*單板設(shè)計壽命,以保證單板按照設(shè)計壽命正常工作。電容的壽命估計有以下兩種方法:


(1)芯溫法

將電容芯的核心溫度(Tcore)作為輸入條件,計算電容器壽命的方法。對于體積較大的焊片型(snap-in)和螺栓型(screw)高壓鋁電解電容,推薦采用芯溫法估算壽命。


(2)紋波電流法

將電容工作時的充放電電流和環(huán)境溫度作為輸入條件,計算電容壽命的方法。對于體積較小的表貼型(v-chip)和引線型(radical)鋁電解電容,推薦采用紋波電流法估算壽命。

對于液態(tài)鋁電解電容,應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)力條件估算應(yīng)用壽命。壽命計算的基本理論模型是“10度法則”,即應(yīng)用溫度每降低10℃,電容器的應(yīng)用壽命翻倍。詳細的壽命估算方法可以咨詢廠商獲取。

這里對中高/低壓液體鋁電容的壽命估計公式進行簡單介紹:

中高壓液體鋁電容(>100V):

Lx = Lo*2(To+δTo-Tcore)/10*(Ur/Ux)2.5,(當(dāng)Ux<0.8*Ur時,Ur/Ux按1.25計算)

低壓液體鋁電容(≤100V):

Lx = Lo*2(To+δTo-Tcore)/10

公式中的符號含義如下:

Lo:標(biāo)稱壽命,To:額定溫度,δTo:標(biāo)稱壽命定義條件下的電容溫升

Ur:額定電壓,Ux:實際應(yīng)用電壓,Tx:電容工作環(huán)境溫度,低于40℃時按照40℃計算

Tcore:應(yīng)用條件下電容芯溫度,芯溫低于40℃時按照40℃計算

δTx:紋波電流造成的電容芯溫升高。當(dāng)處于自然散熱時,以下式估算:

δTx = δTo*(Ix/Kf/Io)2,

這其中參數(shù)為:

Kf:紋波電流頻率因子,由ESR頻率特性決定,可參考datasheet獲取。

Ix:實際測量紋波電流的有效值,需要測量。

Io:額定紋波電流,低阻抗低壓液體鋁電解電容一般定義100kHz時的額定紋波電流,其它類型液體鋁電容一般定義120Hz時的額定紋波電流,具體可參考datasheet。


02

固體電解電容


固體電解電容大體上可以分為鉭電容、插裝固體鋁電解電容、表貼固體鋁電解電容。

表貼固體鋁電解電容有兩種外形:塑封外形和圓柱形(v-chip)。塑封外形表貼固體鋁電容內(nèi)部為疊層結(jié)構(gòu),圓柱形(v-chip)表貼固體鋁電容內(nèi)部為卷繞結(jié)構(gòu)。

鉭電容包括以MnO2為陰極材料的普通鉭電解電容、以導(dǎo)電聚合物Polymer為陰極材料的Polymer鉭電解電容。

MnO2固體鉭電容最終工作電壓降額的選取還與溫度、電源回路阻抗、電源上下電等有關(guān)。表中提供的參數(shù)估計值僅為最低要求,實際的降額選取應(yīng)根據(jù)電路應(yīng)用條件來做調(diào)整。

從實際應(yīng)用統(tǒng)計及鉭電容自身結(jié)構(gòu)分析,高耐壓高CV值MnO2鉭電容(≥25V/10uF)可靠性相對于低壓鉭電容要差。不建議12V以上的電路使用MnO2鉭電容。除了某些高阻抗、限流或者控制電路中,12V以上耐壓需求可以考慮選擇25V以上耐壓電容外,低阻抗電源濾波不建議選擇高耐壓系列MnO2鉭電容。

MnO2固體鉭電容的降額還應(yīng)注意根據(jù)以下情況作調(diào)整:

(1)回路低阻抗(<0.1Ω/V,不考慮并聯(lián)電容電抗)的條件下,工作電壓至少降額到30%額定工作電壓以下。正常工作中,高溫>85℃的情況,工作電壓建議降額到20%額定工作電壓以下。

(2)在上下電受到浪涌沖擊電流過大時(單顆電容浪涌電流>3A、電壓變化率>0.01V/us),降額幅度最好考慮增加,同時應(yīng)選擇ESR大一些、容量小一些的多個電容并聯(lián)的方式來分攤沖擊電流。

(3)注意避免因過度降額導(dǎo)致高耐壓鉭電容(≥25V)應(yīng)用于低壓電路的情況。






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