所有鐵電材料電容都會(huì)老化，我們?nèi)绾稳?yīng)對(duì)？

我們可以根據(jù)可用數(shù)據(jù)為 X7R 電容器建立比較圖表。顯示了 DC 偏置、溫度和時(shí)間老化對(duì)現(xiàn)代應(yīng)用可能選擇的兩個(gè)電容器的累積影響。

來(lái)自制造商數(shù)據(jù)的兩個(gè) X7R、0603 尺寸電容器的比較。兩者都假定具有 5V 偏置并在 70 攝氏度下工作。即使其中一個(gè)部件的初始電容是兩倍，但在 100,000 小時(shí)時(shí)的最終結(jié)果要接近得多。所有數(shù)據(jù)均基于制造商的數(shù)據(jù)表，估計(jì)老化 100,000 小時(shí)。

第一個(gè)電容是 1μf, 25V, 0603 尺寸，第二個(gè)是 2.2μf, 10V, 0603 尺寸，兩者都假定偏置為 5V，工作溫度為 70 o C。100,000小時(shí)的總老化是由于正常老化，加上直流偏置，加上工作溫度，從參考手冊(cè)推斷為 -25% 最壞情況。請(qǐng)注意：上面的關(guān)鍵詞是“外推”，因?yàn)槲覜](méi)有自己的數(shù)據(jù)來(lái)支持這一點(diǎn)。

即使是項(xiàng)的這種線性乘法相加也具有誤導(dǎo)性，因?yàn)樵谌魏吻闆r下總和不可能大于可能的 80% 電容下降總和。這是因?yàn)楫?dāng)所有的磁偶極子 100% 排列整齊時(shí)，材料仍然會(huì)有一些剩余的介電常數(shù)。因此，這種情況比表 1 所示的簡(jiǎn)單的餐巾背面線性計(jì)算更為復(fù)雜。

更有可能的是下面的情況，它僅來(lái)自幾家制造商發(fā)布的關(guān)于直流偏置效應(yīng)的數(shù)據(jù)。下面確實(shí)顯示了當(dāng)電介質(zhì)材料偶極子排列從 0%(完全隨機(jī))增加到 100%(完全排列)時(shí)電容器的電容會(huì)發(fā)生什么變化，這代表了直流偏置、工作溫度和老化的絕對(duì)最壞情況結(jié)合。通過(guò)研究幾家制造商的直流偏置與電容變化曲線繪制了一張圖，并推斷該曲線顯示了可能的電容變化與 X7R 電容器介電材料偶極子排列的關(guān)系。0% 是隨機(jī)對(duì)齊(左側(cè) x 軸)，100% 是當(dāng)偶極子對(duì)齊時(shí)(右側(cè) x 軸)，顯示大約 80% 可能的總電容損耗。

結(jié)論

對(duì)我來(lái)說(shuō)，這一切的收獲是：

1) 在 2017 年的“大電容器短缺”之后，當(dāng)制造商爭(zhēng)先恐后地滿足訂單和替代品(已知和未知)時(shí)，X7R 零件的行為方式讓我遇到了嚴(yán)重的問(wèn)題。我發(fā)現(xiàn) DC 偏壓下的電容下降更嚴(yán)重，以及在看似相同的零件編號(hào)出現(xiàn)短缺之前和之后生產(chǎn)的電容器批次之間的其他參數(shù)問(wèn)題。

這讓我對(duì)信任已有數(shù)十年歷史的制造商發(fā)布的信息持懷疑態(tài)度，尤其是在技術(shù)變化如此之快的情況下。即使您進(jìn)行了自己的可靠性研究，您也無(wú)法確定下一次電容器短缺何時(shí)會(huì)再次改變所有配方并使一切化為烏有。

2) 關(guān)于隨著直流偏置和升高的工作溫度而增加老化率的最新信息似乎表明，在 10 年后，設(shè)計(jì)人員可能明智地在預(yù)期 X7R 電容下降的基礎(chǔ)上再增加 25%，因?yàn)槔匣?+ 工作溫度 + 直流偏置老化效應(yīng)。這是由于容差、溫度系數(shù)和 DC 偏壓導(dǎo)致的初始電容下降。

3) 這種加速的直流偏置 + 升高的工作溫度電容下降表明，使用高溫、加速壽命測(cè)試至少 1000 小時(shí)可能有助于了解預(yù)期壽命更長(zhǎng)的產(chǎn)品的預(yù)期真實(shí)電容變化。注意：您不能超過(guò) 90 o C，以免在測(cè)試電容器時(shí)使電容器老化。

4) 使用低額定電壓，在高工作電壓百分比下運(yùn)行的高電容 X7R 電容器可能會(huì)對(duì)開關(guān)電源的大容量輸出濾波產(chǎn)生問(wèn)題，其中電容用于穩(wěn)定控制回路，特別是如果您必須達(dá)到更長(zhǎng)的工作時(shí)間壽命。在高溫下測(cè)試至少 1000 小時(shí)，或使用另一種久經(jīng)考驗(yàn)的真正電容器技術(shù)，如鉭或鋁電解電容器，以滿足您的大容量電容需求。

5) 使用低額定電壓、在高工作電壓百分比下運(yùn)行的高電容 X7R 電容器可能適用于低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 輸出濾波應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，可能需要最大串聯(lián)電阻值，也許還需要一些最小電容值，但在這些值的相反極端情況下，通常仍會(huì)提供穩(wěn)定的穩(wěn)壓器。檢查監(jiān)管機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)表進(jìn)行驗(yàn)證。

6) 由于 X7R 是所有其他 2 類介電電容器中最好的，因此似乎強(qiáng)烈建議 X5R 僅用于多兆赫數(shù)字電路上的高頻旁路，其中電容器最重要的方面是串聯(lián)電感而不是任何電容值。

我查看了制造商發(fā)布的兩種常見(jiàn) 0603 尺寸 X7R 電容器類型的電容與直流偏置數(shù)據(jù)。第一個(gè)是常見(jiàn)的 0.1μF、50V，用于去耦，第二個(gè)是高密度 1μF、10V 類型。可以看出，每個(gè)制造商都有不同的 X7R 電介質(zhì)配方，并且會(huì)根據(jù)電容器的額定電壓而變化。當(dāng)您遇到短缺并選擇其他“等效”零件編號(hào)時(shí)，請(qǐng)記住這一點(diǎn)，它可能不像您想象的那么等效!