Керамические конденсаторы: максимальное напряжение и дерейтинг

Эксплуатация практически любого конденсатора ниже его максимального номинального напряжения обеспечивает более долгий срок службы. Производительность конденсатора будет ухудшаться в ответ на приложение напряжений, приближающихся к их номинальному пределу, и воздействие высоких температур. Выбирая ограничение приложенного напряжения, можно уменьшить эти эффекты деградации.

Керамические конденсаторы являются одним из наиболее распространенных типов конденсаторов, используемых сегодня благодаря их компактной упаковке и доступности компонентов для поверхностного монтажа. Они получили свое название из-за материалов конструкции; они построены из чередующихся слоев металлической пасты и керамического порошка, которые затем выпекаются для твердения керамического материала. Поскольку это неполяризованные компоненты, их можно использовать в цепях переменного и постоянного тока и они имеют ряд значений емкости, что делает их идеальными для использования в цепях связи, развязки и фильтрации.

Максимальное номинальное напряжение конденсатора обычно высокое, что является большим преимуществом. Когда их номинальное напряжение превышается на небольшую величину, их емкость снижается без каких-либо серьезных отказов. Если на них воздействует напряжение, значительно превышающее максимально допустимое, керамический материал имеет тенденцию к разрушению, что приводит к короткому замыканию между металлическими пластинами. При условии наличия защиты от перегрузки по току, этот режим отказа будет относительно безобидным. Однако разработчику необходимо выбрать подходящее понижение напряжения керамического конденсатора, чтобы обеспечить отсутствие этой неисправности во время работы, таким образом поддерживая срок службы новой конструкции.

Важность понижения напряжения керамических конденсаторов

Важным аспектом, который необходимо учитывать, является то, что значение емкости керамического конденсатора будет уменьшаться по мере приближения напряжения на компоненте к максимальному рейтингу напряжения керамического конденсатора. В некоторых компонентах это снижение может значительно повлиять на работу схемы. Этот эффект сильно зависит от физического размера компонента. Керамический конденсатор SMD 1206 будет терять номинальную емкость гораздо медленнее, чем керамический конденсатор SMD 0603 с теми же номинальными значениями. Этот эффект также более выражен в компонентах с высокой диэлектрической проницаемостью, таких как устройства с диэлектрическими характеристиками типа Class II (например, B/X5R и R/X7R). Этот эффект может быть проблематичным, когда в керамических конденсаторах существует постоянное смещение напряжения в цепях обработки сигналов.

Напряжение смещения может значительно снизить общую емкость, влияя на рабочие характеристики базовой схемы. Сигнальное напряжение, наложенное поверх напряжения смещения, может усугубить или облегчить это изменение в зависимости от его полярности, вызывая изменение емкости, пропорциональное сигнальному напряжению. Совокупный эффект - это нелинейная работа из-за изменений в емкости. Эту проблему можно решить, убедившись, что максимальное напряжение конденсатора, рассчитанное из пикового сигнального напряжения и постоянного напряжения смещения, остается в пределах области характеристик емкости компонента, где изменение емкости минимально. Это может потребовать тщательного выбора компонента с диэлектрическими характеристиками, соответствующими требованиям разработчика.

Другое влияние на дерейтинг керамических конденсаторов - это воздействие быстрых переходных процессов в пределах допустимого напряжения. Хотя напряжения остаются в пределах нормы, скорость изменения напряжения может со временем разрушать керамические материалы, сокращая срок службы компонента и увеличивая вероятность отказа.

Какой дерейтинг керамических конденсаторов следует использовать?

Существует общее правило, согласно которому номинальное напряжение керамического конденсатора должно быть снижено как минимум на 25% в качестве стандарта, но в условиях, когда они будут подвергаться воздействию пульсаций напряжения, это значение следует увеличить как минимум до 50%. Максимальное номинальное напряжение для компонента должно быть как минимум в два раза выше максимального напряжения конденсатора, которое может быть приложено к компоненту в нормальных условиях эксплуатации.

Более точный расчет может быть получен путем анализа соотношения между напряжением пробоя и максимальным номинальным напряжением. Обычно производители рассчитывают максимальное номинальное напряжение, добавляя к напряжению пробоя запас на основе опыта и суждения. Напряжение пробоя определяется характеристиками материалов, используемых при изготовлении керамических конденсаторов, и наличием дефектов в материалах. Чем выше качество производственного процесса, тем выше напряжение пробоя – ограниченное используемыми материалами. Интересно, что чем выше значение емкости, тем меньше влияние любых производственных дефектов на напряжение пробоя.

Свойства изоляционного материала на основе керамики доминируют в расчетах; исследования показали, что металлические элементы оказывают мало влияния на результаты. Пробивное напряжение, как правило, определяется процессами поляризации внутри диэлектрика, а не электрическим пробоем. Производители определяют пробивное напряжение, идентифицируя область в рабочих характеристиках компонентов. Зависимые от напряжения качества остаются в пределах требуемых лимитов устройства, а его предполагаемая надежность находится в указанном диапазоне. Любое понижение номинала, применяемое конструктором, будет дополнительным к коэффициенту понижения номинала производителя, используемому для расчета максимального напряжения керамического конденсатора из пробивного напряжения.

Одна вещь, о которой следует помнить, это то, что избыточное понижение номинала компонента на первый взгляд может показаться самой безопасной политикой, но это приведет к выбору физически больших или гораздо более дорогих компонентов. Дополнительное пространство на плате, которое потребуется, может быть невозможным или может вызвать другие проблемы с компоновкой и трассировкой платы. Большие компоненты также несут повышенный риск разрушения внутри компонента в среде, где могут присутствовать механические вибрации. Как и в случае со всеми конструкторскими решениями, некоторые последствия необходимо тщательно обдумать.

Если вы хотите узнать больше, почему бы не посетить нашу страницу продукта для более подробного описания функций или не позвонить эксперту из Altium? Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.