早期不使用钽电容的原因，钽电容失效原因分析5个点

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今天给大家介绍的是：钽电容的失效模式以及原因。

主要是以下5点：

• 1、低阻抗电路电压过高引起的故障
• 2、峰值输出电流过大
• 3、钽电容ESR过高或交流纹波过大
• 4、钽电容漏电流过大导致耐压不够
• 5、生产组装引起的故障

钽电容是高性能的电解电容，比起铝电解电容来说，价格更贵，体积小、品质高、参数稳定。但是也会存在一些缺点，例如相对较低的电容和较低的额定电压。

钽电容一般不会存在长时间存放放电时导致干涸或者介电退化的问题。大部分钽电容都具有非常相似的阳极机构，由高纯度固体钽粉组成，钽粉在高温下烧结，将颗粒状钽转化为具有非常大表面积的多孔结构，以实现更高的电容。

钽电容结构图

钽电容容值的计算公式：

钽电容容值的计算公式

• A 是电容极板的总有效面积
• ε 是介质的介电常数
• d 是两极板之间的距离

区分钽电容的是钽的阴极系统，钽电容有3种类型，二氧化锰 (MnO2)、导电钽聚合物和湿钽电容。

在应用中，经常会遇到钽电容爆炸的问题，尤其是在开关电源、LED电源等。钽电容爆炸也非常危险，因此也有一些工程师不太敢用。这篇文章就来简单的分析一下钽电容失效的原因。

钽电容电容只有2种：带电阻保护的电路和不带电阻保护的低阻抗电路。

对于有电阻保护的电阻，由于电阻有分压输入和抑制过大电流的作用，电压只能达到钽电容额定电压的几分之一。

无电阻保护的电路有2种：

1、经过整流滤波的直流电源输入级，输出是稳定的充放电电路。

在这列电路中，电容作为放电源，由于输入参数稳定，没有浪涌，虽然是低阻抗电路，在安全工作范围内的电压可达到额定电压的50%，以保证增长的性能和极高的可靠性。

2、电子系统的电源部分。

这类电路中并联使用的电容，除了对输入信号进行滤波外，往往还需要一定的频率和功率电平进行放电。由于是电源电路，这类电路的环路阻抗很低，以保证电源的输出功率密度足够。

在这里DC-DC转换器的开关电路中，在每次导通和关断的瞬间，电路都会产生一个持续时间小于1um的高强度尖峰脉冲，因此单位时间内的能力密度非常高。如果电容的外加电压过高，此时实际加载产上的脉冲电压会超过产品额定值，并可能造成器件损坏，在这类电路的允许工作电压不能超过额定值的1/3。

如果不对钽电容进行分压，则会降额50%，电路阻抗最少的DC-DC电路可能瞬间导通。有击穿短路或者爆炸的现象。在这里电路中使用的电容应降额多少，必须要考虑电路阻抗的高低和输入输出功率的大小以及电路中交流纹波的高低。

因为电路输入阻抗可以决定开瞬间浪涌的大小，内阻越低，器件降额越多，降の幅度不相同，必须要通过准备的可靠性来确定。

以下等式用于计算特定温度下允许的最大电压，该电路允许在85℃-125℃的温度范围内工作。

最大电压

其中T为工作温度，VR为钽电容的额定电压。

AVX 钽电容器数据表中的降额图表示例

推荐的电压降额曲线

电容的模型通常是称为等效串联电阻ESR（等效串联电阻）的串联电阻和纯电容元件C的形成，如下所示：

等效串联电阻ESR

在电路接通的瞬态事件中，电容会有很大的电流流过，称为浪涌电流，用常微分方程表示：

浪涌电流

求解微分方程，流经电容的电流为：

浪涌电流

钽电容电流衰弱曲线

上图显示了T=0时，打开电源时出现的峰值电流I Peak = UR /ESR。

AVX给出的计算感性聚合物钽电容峰值电流的公式如下所示，供参考。

峰值电流

• IPEAK为峰值浪涌电流（A）：是钽电容在正常工作期间可以安全承受的最大直流电流。
• VR为额定电压（V）
• 0.45 为外部测试电路电阻（Ω）
• ESR 为钽电容的等效串联电阻（Ω）

如果在峰值输出电流较大的电路中使用容量较小的钽电容，可能会因为电流过载而烧毁产品。

选择钽电容的关键参数之一就是纹波能力。当ESR过高的钽电容用于交流纹波非常高的滤波电路，即使电压远低于降额极限，有时也会在启动瞬间突然击穿。出现这种问题的主要原因是电容的ESR与 电路中的交流纹波严重失配。

钽电容是分极性的，交流纹波通过时会发热，不同尺寸的产品在保持热平衡的同时可以承受不同的功耗。由于不同容量产品的ESR值不同，不同规格的钽电容所能承受的交流纹波幅度也相差很大。

因此，如果电路中的交流纹波超过电容的规格，则在产品使用过程中会发生热击穿，同样，如果电路中交流纹波稳定，但所选钽电容的实际ESR值过高，也会遇到类似的问题。

一般来说，在滤波和大功率充放电电路中，必须使用ESR值最低的钽电容。对于交流纹波过大的电路，交流纹波引起的钽电容失效往往会被忽略，这通常是因为电容的质量问题。

钽电容温升与纹波电流仿真

上图中，绿色区域为安全运行区域，黄色区域表示设备接近极限，红色区域为设备短时间内可能损坏的危险区域。

这种问题一般是钽电容实际电压不够造成的，当电容长期施加一定的场强时，如果其介质层的绝缘电阻较低，此时产品的实际漏电流会较大，对于大电流的产品，实际耐压会降低。

另外一个原因是钽电容的漏电流标准过于宽松，导致一些不具备生产优质钽电解电容能力的企业1生产劣质钽电容，因此高温下实际耐压会明显下降，这个过程称为热降额，当温度高时，很容易分解。

在高温下漏电流小是所有电容制造商的目标之一，该指标影响到了钽电容的可靠性。

如果你选择使用的钽电容漏电流过大，在设计中一定不要使用，不然会就会造成很多问题，泄露电流也取决于施加的电压。当外加电压低于额定电压时，漏电流迅速下降。因此电压降额的影响也适用于漏电流，如下所示.。

AVX 的钽电容漏电流与温度的关系

钽电容的漏电流与 AVX 施加的电压

经常很多工程师都会关注钽电容的选型和设计，往往忽略贴片太难带内容在组装时可能出现了问题，例如：当使用手工焊接时，产品没有预热，使用温度高于300℃的电烙铁长时间加入电容，导致电容因过热而性能下降。

• 手工焊接时，不使用预热，在焊接钽电容时，为了去除冷焊点而进行了过度的重复加热。
• 烙铁头温度设定在500℃，这样可以快速焊接元器件，但是非常容易造成元器件过早失效。

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图片来源于小红书