电阻电容的降额设计要求

01

计算平均功率时，电压使用V_rms有效值，当电压不是恒定值时计算需要考虑脉冲状态，如时钟匹配电阻。需要注意，额定功率值厂家有时使用峰值功率，有时使用平均功率。

采购的绝大多数电阻额定环境温度Ts为70℃，所以如果能保证电阻器工作温度在70℃以下，采用60%功率降额即可。如果电阻器工作温度高于70℃，则需要按照公式计算。

脉冲功率按照单脉冲、多脉冲来划分。不同系列电阻的单脉冲峰值功率曲线不同，而不同厂家的多脉冲评估方法可能存在差异，具体应用时需要查阅厂家资料。

峰值脉冲功率P_m在不同脉宽下的值不同，一般来说P_m会以图表的形式呈现在电阻的datasheet中，如下图所示：

（1）这里脉冲宽度t_i以矩形波为准，如下图所示是脉宽为t₁的矩形波，评估该波形下的P_m可以直接将t_i=t₁，之后在图表中得到对应的P_m值： 

（2）非矩形波脉冲需要转换成矩形波再查阅表格确定P_m的值，以下是几种典型非矩形波脉冲的转换方法，在这里t₁是等效脉宽：

（3）多脉冲波形的峰值脉冲功率P_m按照脉宽t₁、通断比t₂/t₁（上面给出的图表例子中，多脉冲的通断比t_p/t_i=1000），t₁和t₂定义如下：

 （4）环境温度高于70℃时，需按照温度曲线进一步降额：

稳态电压要求不超最高工作电压U_r的70%。U_r取 (P_r*R)^0.5 值与同系列最高使用电压中的较小值。

如某0.25W/1MΩ的电阻，(P_r*R)^0.5=500V，查阅厂家手册，最高使用电压为250V，则最高工作电压U_r取值为250V。

脉宽＜1s时，若无特殊规定，峰值脉冲电压U_m取同系列电阻的最高过负荷电压。

脉宽≥1s时，按稳态电压的要求降额。

02

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。

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。

推荐阅读▼

• 电路设计-电路分析

• EMC相关文章

• 电子元器件

后台回复“加群”，管理员拉你加入同行技术交流群