所有鐵電材料電容都會(huì)老化，我們的電路還能相信它們嗎？

當(dāng)陶瓷電容器變壞時(shí)——老化。

電容器老化適用于所有 2 類陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈冇设F電材料制成。C0G 類型(1 類)不會(huì)表現(xiàn)出這種老化效應(yīng)，但是，它們是由非鐵電介電材料制成的。

所有鐵電材料都會(huì)老化，是的，甚至基于鐵氧體的磁性部件也會(huì)老化，X7R 和其他高密度電容器類型也是如此。

無(wú)論部件是在使用中還是只是放在某個(gè)地方的垃圾箱中，都會(huì)發(fā)生這種老化。隨著時(shí)間的推移，所有 2 類電容器都會(huì)失去電容。

這種老化是由于結(jié)構(gòu)中的磁偶極子隨時(shí)間變得不那么隨機(jī)，從而改變了材料的介電常數(shù);這是一個(gè)可逆的過(guò)程。當(dāng)電容器介電材料的居里溫度高于約 125 o C 時(shí)，材料再次變得無(wú)規(guī)則，電容器恢復(fù)到其原始值。這稱為重整或去老化。改造后，老化過(guò)程重新開始。甚至回流焊接也可能將電容器加熱到足以使它們重新形成，如我們之前所述，其中指出：“在焊接過(guò)程之后，電容器基本上已經(jīng)過(guò)老化?！北M管專家建議，如果您有意對(duì)電路板上的電容器進(jìn)行老化，請(qǐng)將它們置于 150 o C 老化 1.5 小時(shí)，以確保所有電容器至少達(dá)到居里溫度。

X7R 類型的電容老化率標(biāo)稱為重整后每 10 小時(shí) 2.5% 至 3%。

這意味著：制造后，自電容器材料最后一次處于材料的居里溫度后，電容器每十年損失約 3%。

電子產(chǎn)品中使用的下一個(gè)最常見的 2 類電介質(zhì) X5R 通常被賦予 3% 到 7% 的老化率，具體取決于制造商，盡管大多數(shù)制造商引用更大的 5% 到 7% 的值。這表明，僅指定幾個(gè)不同制造商的“X5R 類型”并期望得到相似的結(jié)果，可能會(huì)導(dǎo)致非常不同的老化性能。

典型的電容器老化圖，類似于某些制造商的數(shù)據(jù)表中的那種。上面的曲線用于 C0G。它是扁平的，因?yàn)檫@些類型沒有表現(xiàn)出老化現(xiàn)象。中間曲線適用于典型的 X7R，其老化速度約為每十年小時(shí) -3%。較低的曲線適用于 X5R，據(jù)報(bào)道，根據(jù)您查看的數(shù)據(jù)表，該 X5R 的老化率從 -3% 到 -7% 每 10 小時(shí)不等。事實(shí)證明，當(dāng)電容器被偏置時(shí)，這些曲線是不準(zhǔn)確的，并且在電路中。

如果 X7R 電容器類型的電容變化率為 3%/十倍小時(shí)。與 10 小時(shí)的基準(zhǔn)點(diǎn)相比，凈電容損耗將為：

· 在 100 小時(shí)，電容器將為 -3%

· 在 1000 小時(shí)它將是 -9%

· 在 10,000 小時(shí)它將是 -12%

· 在 100,000 小時(shí)或 11 年時(shí)，名義上的變化為 -15%

這種老化與對(duì)電容器施加直流偏置具有相同的基本效果。更多的直流偏置(場(chǎng)強(qiáng))會(huì)導(dǎo)致材料中更多的磁偶極子排列，從而導(dǎo)致材料的介電常數(shù)降低。

其他因素呢?

人們一直認(rèn)為直流偏置變化和老化電容變化是獨(dú)立發(fā)生的，只是相加的。

然而，最近 Vishay [2] 證明，向 X7R 電容器添加直流偏置可以顯著提高老化率。Vishay 計(jì)算得出，他們的電容器在偏置到 100% 額定電壓時(shí)具有非線性老化率，并且他們報(bào)告說(shuō)，他們的一些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在直流偏置下的老化率可能更高。

顯示了 50V 電容器在 100% 額定工作電壓下偏置的一些結(jié)果。Vishay 在他們的報(bào)告中還測(cè)量了 40% 偏置電壓下的一些 50V 電容器。在那里，老化率更加線性，但是，他們報(bào)告說(shuō)，一些電容器在前 1000 小時(shí)內(nèi)仍然表現(xiàn)出明顯的老化。

Vishay 的文章還研究了去除直流偏壓后的老化恢復(fù)情況，發(fā)現(xiàn)這至少會(huì)在一定程度上使電容器老化，并且它們至少部分地從損失的電容中恢復(fù)。同樣，根據(jù) Vishay 的說(shuō)法，結(jié)果高度依賴于測(cè)試的制造商。

Vishay 研究沒有提供任何超過(guò) 1000 小時(shí)的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在您可能會(huì)問(wèn)：“如果我有 DC 偏壓并且工作溫度高于 25 o C，那么老化的影響會(huì)怎樣?”

這是一個(gè)很好的問(wèn)題，對(duì)于 X7R 類型，直流偏置的影響。并且，隨著工作溫度的升高，再次產(chǎn)生增加的非線性老化率。然而，好消息是，與 10 小時(shí)基準(zhǔn)相比，這一老化率似乎穩(wěn)定在 10,000 到 100,000 小時(shí)范圍內(nèi)，最大損失約為 -25%。

這些非線性老化率隨著時(shí)間的推移而觸底，從材料的角度來(lái)看是有意義的。隨著電壓或時(shí)間施加到 2 類電容器，材料的磁偶極子變得不那么隨機(jī)。但是有一點(diǎn)，所有偶極子都是 100% 對(duì)齊的，無(wú)論是通過(guò)施加電壓還是時(shí)間老化，仍然會(huì)有一些電容，因?yàn)椴牧先匀挥幸恍┙殡姵?shù)，盡管已經(jīng)大大降低了。

您通過(guò)應(yīng)用直流偏置和/或提高工作溫度所做的只是加速老化過(guò)程。

Vishay 研究使用經(jīng)典的 0.1μF、50V 額定值、0603 尺寸、X7R 電容器進(jìn)行測(cè)試。目前尚不清楚更新的 2.2μF、10V 額定值、0603 尺寸的 X7R 電容器在進(jìn)行類似測(cè)試時(shí)的性能如何。這些更新的、額定電壓更低、電容更高的電容器是我們電路設(shè)計(jì)人員都在使用更多的電容器，似乎需要做更多的工作才能讓我們有信心處理 10,000 到 100,000-小時(shí)電容限制實(shí)際上可能存在于實(shí)際用例中。