電阻電容的降額設(shè)計(jì)要求

電阻

01

[1]：電阻上存在不超過(guò)1s的脈沖負(fù)荷時(shí)要同時(shí)滿足瞬態(tài)降額要求。脈沖大于1s時(shí)仍然按照穩(wěn)態(tài)降額評(píng)估。

[2]：電阻降額需要同時(shí)滿足功率、電壓和溫度的降額要求。

01

平均功率

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

采購(gòu)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(jì)算。

02

脈沖功率

脈沖功率按照單脈沖、多脈沖來(lái)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(píng)估方法可能存在差異，具體應(yīng)用時(shí)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(lái)說(shuō)Pm會(huì)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(píng)估該波形下的Pm可以直接將ti=t1，之后在圖表中得到對(duì)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(shí)，需按照溫度曲線進(jìn)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(cè)，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(shí)，若無(wú)特殊規(guī)定，峰值脈沖電壓Um取同系列電阻的最高過(guò)負(fù)荷電壓。

脈寬≥1s時(shí)，按穩(wěn)態(tài)電壓的要求降額。

電容

02

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

電壓電流的瞬時(shí)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(diǎn)（區(qū)域）對(duì)應(yīng)器件某項(xiàng)參數(shù)的最大應(yīng)力，則可以稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)條件下該項(xiàng)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(shí)間內(nèi)（天），異常溫度（一般為高溫）時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)整個(gè)時(shí)長(zhǎng)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(diǎn)對(duì)應(yīng)器件某項(xiàng)參數(shù)的最大應(yīng)力，稱(chēng)為瞬態(tài)條件下的該項(xiàng)應(yīng)力最壞情況。對(duì)穩(wěn)態(tài)工作環(huán)境來(lái)說(shuō)，則是穩(wěn)態(tài)條件下該項(xiàng)應(yīng)力最壞情況。

01

非固體鋁電解電容

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(píng)估應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。在計(jì)算安全應(yīng)用區(qū)域時(shí)，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(jì)

一般來(lái)說(shuō)，單板采用的電容使用壽命需要≥80%*單板設(shè)計(jì)壽命，以保證單板按照設(shè)計(jì)壽命正常工作。電容的壽命估計(jì)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(jì)算電容器壽命的方法。對(duì)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(shí)的充放電電流和環(huán)境溫度作為輸入條件，計(jì)算電容壽命的方法。對(duì)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(duì)于液態(tài)鋁電解電容，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)力條件估算應(yīng)用壽命。壽命計(jì)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(xì)的壽命估算方法可以咨詢(xún)廠商獲取。

這里對(duì)中高/低壓液體鋁電容的壽命估計(jì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)，Ur/Ux按1.25計(jì)算）

低壓液體鋁電容（≤100V）：

Lx = Lo*2(To+δTo-Tcore)/10

公式中的符號(hào)含義如下：

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

Ur：額定電壓，Ux：實(shí)際應(yīng)用電壓，Tx：電容工作環(huán)境溫度，低于40℃時(shí)按照40℃計(jì)算

Tcore：應(yīng)用條件下電容芯溫度，芯溫低于40℃時(shí)按照40℃計(jì)算

δTx：紋波電流造成的電容芯溫升高。當(dāng)處于自然散熱時(shí)，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(shí)際測(cè)量紋波電流的有效值，需要測(cè)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(shí)的額定紋波電流，其它類(lèi)型液體鋁電容一般定義120Hz時(shí)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(jì)值僅為最低要求，實(shí)際的降額選取應(yīng)根據(jù)電路應(yīng)用條件來(lái)做調(diào)整。

從實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)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(duì)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(guò)大時(shí)（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(shí)應(yīng)選擇ESR大一些、容量小一些的多個(gè)電容并聯(lián)的方式來(lái)分?jǐn)倹_擊電流。

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