电容降额

电容器

         与电阻一样，电容存在稳态、瞬态两种工作状态。

         电压电流的瞬时变化波形脉宽≥1s，或者周期性的电压/电流可以视为稳态工作状态。稳态工作状态下，存在某一点（区域）对应器件某项参数的最大应力，则可以称为稳态条件下该项应力最坏情况。

         瞬态工作条件为波形脉宽＜1s，且非周期性电压/电流。

         划分环境温度的稳态、瞬态依据：一定时间内（天），异常温度（一般为高温）时长不超过整个时长的1%为瞬态，反之则为稳态工作环境。瞬态工作环境下，该区域中某一点对应器件某项参数的最大应力，称为瞬态条件下的该项应力最坏情况。对稳态工作环境来说，则是稳态条件下该项应力最坏情况。

 

非固体铝电解电容

         非固体铝电解电容的封装有插装和贴片两种，降额的要求相同。

参数	工作条件	降额要求
环境温度	稳态最坏	≤Tmax-10℃
	瞬态最坏	≤Tmax
工作电压	稳态最坏 （持续工作）	额定电压≤315V时，≤0.9*额定电压
		额定电压＞315V时，≤0.95*额定电压
	瞬态最坏 （非周期浪涌）	额定电压≤315V时，≤1.10*额定电压（Peak）
		额定电压＞315V时，≤1.15*额定电压（Peak）
反向电压	稳态最坏	禁止施加持续的反向电压
	瞬态最坏	≤0.5V（peak）

纹波电流（I_rms）

         电容器件在应用中的纹波电流可以大于额定值，但不应超出安全应用区域。如果应用中电容的充放电电流超出安全应用区域，需要具体评估应用风险。在计算安全应用区域时，需要注意按照频率系数，将纹波电流折算到额定纹波电流的相同频率上。电容的安全应用区域定义如下图所示：

 

寿命估计

         一般来说，单板采用的电容使用寿命需要≥80%*单板设计寿命，以保证单板按照设计寿命正常工作。电容的寿命估计有以下两种方法：

（1）芯温法

         将电容芯的核心温度（T_core）作为输入条件，计算电容器寿命的方法。对于体积较大的焊片型（snap-in）和螺栓型（screw）高压铝电解电容，推荐采用芯温法估算寿命。

（2）纹波电流法

         将电容工作时的充放电电流和环境温度作为输入条件，计算电容寿命的方法。对于体积较小的表贴型（v-chip）和引线型（radical）铝电解电容，推荐采用纹波电流法估算寿命。

         对于液态铝电解电容，应根据实际应力条件估算应用寿命。寿命计算的基本理论模型是“10度法则”，即应用温度每降低10℃，电容器的应用寿命翻倍。详细的寿命估算方法可以咨询厂商获取。

这里对中高/低压液体铝电容的寿命估计公式进行简单介绍：

中高压液体铝电容（＞100V）

L_x = L_o*2^{(To+δTo-Tcore)/10}*(U_r/U_x)^2.5，（当U_x＜0.8*U_r时，U_r/U_x按1.25计算）

低压液体铝电容（≤100V）

L_x = L_o*2^{(To+δTo-Tcore)/10}

         公式中的符号含义如下：

L_o：标称寿命，T_o：额定温度，δT_o：标称寿命定义条件下的电容温升

U_r：额定电压，U_x：实际应用电压，T_x：电容工作环境温度，低于40℃时按照40℃计算

T_core：应用条件下电容芯温度，芯温低于40℃时按照40℃计算

δT_x：纹波电流造成的电容芯温升高。当处于自然散热时，以下式估算：

δT_x = δT_o*(I_x/K_f/I_o)²，这其中参数为：

K_f：纹波电流频率因子，由ESR频率特性决定，可参考datasheet获取。

I_x：实际测量纹波电流的有效值，需要测量。

I_o：额定纹波电流，低阻抗低压液体铝电解电容一般定义100kHz时的额定纹波电流，其它类型液体铝电容一般定义120Hz时的额定纹波电流，具体可参考datasheet。

 

固体电解电容

         固体电解电容大体上可以分为钽电容、插装固体铝电解电容、表贴固体铝电解电容。

         表贴固体铝电解电容有两种外形：塑封外形和圆柱形（v-chip）。塑封外形表贴固体铝电容内部为叠层结构，圆柱形（v-chip）表贴固体铝电容内部为卷绕结构。

         钽电容包括以MnO₂为阴极材料的普通钽电解电容、以导电聚合物Polymer为阴极材料的Polymer钽电解电容。

         MnO₂固体钽电容最终工作电压降额的选取还与温度、电源回路阻抗、电源上下电等有关。表中提供的参数估计值仅为最低要求，实际的降额选取应根据电路应用条件来做调整。

从实际应用统计及钽电容自身结构分析，高耐压高CV值MnO₂钽电容（≥25V/10uF）可靠性相对于低压钽电容要差。不建议12V以上的电路使用MnO₂钽电容。除了某些高阻抗、限流或者控制电路中，12V以上耐压需求可以考虑选择25V以上耐压电容外，低阻抗电源滤波不建议选择高耐压系列MnO₂钽电容。

　　MnO₂固体钽电容的降额还应注意根据以下情况作调整：

（1）回路低阻抗（＜0.1Ω/V，不考虑并联电容电抗）的条件下，工作电压至少降额到30%额定工作电压以下。正常工作中，高温＞85℃的情况，工作电压建议降额到20%额定工作电压以下。

（2）在上下电受到浪涌冲击电流过大时（单颗电容浪涌电流＞3A、电压变化率＞0.01V/us），降额幅度最好考虑增加，同时应选择ESR大一些、容量小一些的多个电容并联的方式来分摊冲击电流。

（3）注意避免因过度降额导致高耐压钽电容（≥25V）应用于低压电路的情况。

器件类型	降额参数		条件	降额要求
固体钽电解电容（MnO2）	工作电压Va		稳态最坏	≤50%
			瞬态最坏	≤55%
	环境温度Ta		稳态/瞬态最坏	≤Tmax-20℃
	反向电压Vre		稳态最坏	禁止施加持续反向电压
			瞬态最坏	≤2%额定工作电压
	电压变化dv/dt		瞬态最坏	≤10V/ms
	纹波电流Ia		Ta≤85℃	≤100%
			Ta≤95℃	≤80%
			Ta≤105℃	≤60%
固体钽电解电容（Polymer）	工作电压Va	Ur≤10V	稳态最坏	≤85%额定工作电压
			瞬态最坏	≤90%额定工作电压
		10V＜Ur≤25V	稳态最坏	≤70%额定工作电压
			瞬态最坏	≤80%额定工作电压
		Ur＞25V	稳态最坏	≤60%额定工作电压
			瞬态最坏	≤80%额定工作电压
	环境温度Ta		稳态最坏	≤Tmax-20℃
			瞬态最坏	≤Tmax
	反向电压Vre		稳态最坏	禁止施加持续反向电压
			瞬态最坏	≤2%额定工作电压
	电压变化dv/dt		瞬态最坏	≤15V/ms
	纹波电流Ia		Ta≤85℃	≤100%
			Ta≤95℃	≤85%
			Ta≤105℃	≤70%
固体插装铝电容 /固体SMD铝电容	工作电压Va	Ur≤10V	稳态最坏	≤90%额定工作电压
			瞬态最坏	≤95%额定工作电压
		10V＜Ur≤25V	稳态最坏	≤85%额定工作电压
			瞬态最坏	≤90%额定工作电压
		Ur＞25V	稳态最坏	≤70%额定工作电压
			瞬态最坏	≤80%额定工作电压
	环境温度Ta		稳态最坏	≤Tmax-20℃
			瞬态最坏	≤Tmax
	反向电压Vre		稳态最坏	禁止施加持续反向电压
			瞬态最坏	≤0.5V（peak）
	脉冲电流（Ipeak）		瞬态最坏	≤10A或10*额定纹波电流，取小者。
	纹波电流		稳态最坏	≤100%

      

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                        

                                                                                                                                                                                                                                                                                      

                                                                                                                                                                                                                                                                                      

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                                                                                                                      

薄膜电容

         薄膜电容有插装和表贴两种封装形式。常用的薄膜电容大多使用如下四种介质材料，其中PET膜和PP膜是应用最为广泛的薄膜电容介质材料。PEN和PPS膜的熔点温度较高，一般用于制作耐高温薄膜电容器和SMD薄膜电容。

PET：聚乙烯对苯二甲酸酯介质膜

PP：聚丙烯介质膜

PEN：聚萘乙酯介质膜

PPS：聚苯硫醚介质膜

         薄膜电容的封装有插装（DIP）和表贴（SMT）两种。

器件类型	降额参数	条件	降额要求
安规用薄膜电容 （专指X、Y电容）[1]	工作电压	稳态最坏	Y电容：≤100%额定工作电压
			X电容： 标称275~310Vac：适用≤240Vac工频电网 标称330~350Vac：适用≤277Vac工频电网 标称440~480Vac：适用≤380Vac工频电网
	浪涌电压	瞬态最坏	按照IEC60384-14规定，不允许超额
	环境温度	瞬态最坏	≤Tmax-10℃
交流薄膜电容[2]	工作电压 （交流）	稳态最坏	≤85%额定交流电压
		瞬态最坏	≤100%额定交流电压
	浪涌电压	非周期性浪涌电压（持续时间≤10ms）	≤95%最大脉冲电压（datasheet未规定最大脉冲电压时，按1.25倍额定直流电压计算）
	环境温度		≤额定温度[3]-10℃
	热点温度[4]		≤额定温度-5℃
	dv/dt	瞬态最坏	≤80%
	纹波电流	稳态最坏	≤90%
直流与脉冲薄膜电容	直流工作电压	稳态最坏	≤90%额定直流电压
		瞬态最坏	≤100%额定直流电压
	浪涌电压	非周期性浪涌电压（持续时间≤10ms）	≤95%最大脉冲电压（datasheet未规定最大脉冲电压时，按1.25倍额定直流电压计算）
	环境温度		≤额定温度-10℃
	热点温度		≤额定温度-5℃
	dv/dt	瞬态最坏	≤80%
	纹波电流	稳态最坏	≤90%

[1]：安规电容指符合IEC60384-14、UL1414、UL1283等“电磁干扰抑制电容”。经过安规机构认证的可跨接于50~60Hz交流市电的火线、零线和地线之间的电容，即X和Y电容，仅可用于EMC，不可用做逆变电路的平滑电容，也不可用做电容式降压电路的降压电容。

[2]：交流薄膜电容是专为交流应用设计的电容，典型应用是逆变器的平滑电容。电容式降压电路必须采用专门设计的降压电容器，不能使用一般用途的交流薄膜电容。

[3]：额定温度可能低于上限工作温度，也可能等于上限工作温度。当规格书中没有说明额定温度时，默认额定温度等于上限工作温度。

[4]：对于大型薄膜电容（10A以上额定电流的薄膜电容），需要测量电容内部热点温度，或依据电容的热阻和充放电电流计算热点温度。热点温度不得超过规定。对于小型薄膜电容，额定电流是按照内部热点温度不超过上限类别温度标识的，不需另外计算热点温度。

 

陶瓷电容

         陶瓷电容有插装类单层陶瓷电容、MLCC电容/电容排等分类。

器件类型	用途	参数	材料	环境温度	额定电压	条件	降额要求
插装多层陶瓷/片式电容排	普通	工作电压Va	NPO/ U2J/ X7R/ X7S/ X7T/ X7U	≤85℃	Ur＜25V	稳态最坏	≤85%
						瞬态最坏	≤100%
					Ur≥25V	稳态最坏	≤75%[1]
						瞬态最坏	≤100%
				85℃＜, ≤125℃	Ur＜25V	稳态最坏	≤70%
						瞬态最坏	≤80%
					Ur≥25V	稳态最坏	≤60%
						瞬态最坏	≤80%
			X5R/X6R/ SY5V	所有		稳态最坏	≤60%
						瞬态最坏	≤80%
		环境温度	所有			稳态最坏	≤Tmax-5℃[2]
						瞬态最坏	≤Tmax
插装单层陶瓷/SMD陶瓷	普通	工作电压Va	NPO/ U2J/ X7R/ X7S/ X7T/ X7U	≤85℃	Ur＜25V	稳态最坏	≤85%
						瞬态最坏	≤100%
					Ur≥25V	稳态最坏	≤75%[1]
						瞬态最坏	≤100%
				85℃＜, ≤125℃	Ur＜25V	稳态最坏	≤70%
						瞬态最坏	≤80%
					Ur≥25V	稳态最坏	≤60%
						瞬态最坏	≤80%
			X5R/X6R/ SY5V	所有		稳态最坏	≤60%
						瞬态最坏	≤80%
		环境温度	所有			稳态最坏	≤Tmax-5℃[2]
						瞬态最坏	≤Tmax
	安规电容	工作电压Va	所有			稳态最坏	≤100%
						瞬态最坏	≤100%
		环境温度	所有			稳态最坏	≤Tmax-5℃
						瞬态最坏	≤Tmax

[1]：对于-48V接口电路，电压波动范围-36V~-72V的情况下，可以使用耐压100V的X7R陶瓷电容滤波，但是瞬态最坏情况建议不超过额定值。

[2]：如果环境温度比较难获得，可以采用电容表面温度进行降额，其中壳温降额为稳态不超过额定温度T_max，瞬态不超过T_max+5℃。

         下表为陶瓷电容在不同封装下的允许功耗和热阻表。其中最大允许功耗单位为mW，在常温﹢25℃，20℃温升条件下测试得到。部分尺寸型号可根据长x宽，依据附近的热阻来大致判断，如1810可参考1210和1812的热阻来大致确定。

         实际上，陶瓷电容功耗和焊盘尺寸及覆铜面积相关，焊盘尺寸及覆铜面积越大，允许的功耗就越大。下表标称的热阻值为典型值，仅作为设计参考。

EIA尺寸	长*宽 (mm)	普通MLCC		高Q电容
		允许功耗mW	热阻Rth(℃/W)	允许功耗mW	热阻Rth(℃/W)
0201	0.6*0.3	77	260	-	-
0402	1.0*0.5	87	230	91	219
0603	1.6*0.8	93	216	138	145
0805	2.0*1.25	97	207	177	113
1206	3.2*1.6	103	194	-	-
1210	3.2*2.5	136	147	282	70.9
1812	4.5*3.2	185	108	-	-
1111	2.79*2.79	-	-	400	50

         说明：陶瓷电容的ESR很低，可允许纹波电流较大，一般情况下不用考虑功耗温升等情况。但某些场合下需要注意，如高Q电容用于射频高功率信号耦合或旁路滤波，或者普通MLCC用于可能有射频高功率信号耦合或泄露的电源滤波场合，要注意分析采用的电容所能承受的功率（普通MLCC电容需要考虑谐振频率点在射频工作频率附近情况下所能承受的功耗）。

 

穿心和可变电容

器件类型	参数	条件	降额要求
穿心电容型EMI滤波器/三端电容型EMI滤波器/云母电容	工作电压	稳态最坏	≤60%
		瞬态最坏	≤65%
	环境温度	稳态最坏	≤Tmax-10℃
		瞬态最坏	≤Tmax-10℃
	工作电流	稳态最坏	≤60%
		瞬态最坏	≤60%
可变电容器	工作电压	稳态最坏	≤60%
		瞬态最坏	≤65%
	环境温度	稳态最坏	≤Tmax-10℃
		瞬态最坏	≤Tmax-10℃

工作电流的测量

         工作电流用示波器的电流枪测量，采用有效值表示。测量时可以采用加长电路引线的方式来保证电流枪探头的穿入，但应保证引线尽可能短。

 

超级电容

         超级电容目前由两类：1、有机溶剂电解液或固体电解质超级电容；2、水系电解液超级电容，主要差别在阴极材料。

器件类型	参数	条件	降额要求
有机溶剂电解液超级电容/固体电解质超级电容	工作电压	稳态/瞬态最坏	≤100%
	环境温度	稳态最坏	≤Tmax-5℃
		瞬态最坏	≤Tmax
	最低温度	稳态/瞬态最坏	≥Tmin+10℃
	反向电压	稳态最坏	禁止
		瞬态最坏	≤2*额定工作电压
	充放电流	-	≤100%
	预估寿命	-	≥单板寿命*0.8
水系电解质超级电容	工作电压	稳态/瞬态最坏	≤70%
	环境温度	稳态/瞬态最坏	≤Tmax-20℃
	最低温度	稳态/瞬态最坏	≥Tmin+20℃

[1]：任何情况下，超级电容都不能超温使用。

[2]：施加反向电压会导致电容寿命减少。

[3]：超级电容的容量巨大，充电电路最好能配置限流电阻，除保证电流不超标以外，还能减少电路上电时间。

[4]：电容寿命估算公式：L_x=L_o*2^(Vo-Vx)/0.2*2^(To-Tx)/10

Lo：标称寿命      Lx：应用寿命

Vo：额定电压      Tx：应用电压

To：额定上限温度  Tx：应用温度（最好能够计算时间加权温度）