原创 氧化铌电容器介绍

氧化铌电容器的出现
 在21世纪初,在此费尽心血的一个美国人电容器专家和一个德国制造钽粉的工程师提出一种新的电容器工艺理论;使用氧化物而不是纯金属也可以生成单向导电的介质层作电容器.此理论看似简单,实际上却是革命性的,它打破了人们遵守了几十年的电容器介质形成理论;只有纯金属才能生成介质层. 
而且生成的介质层质量甚至更好. 
 在钽电容器的制造过程中,单质态的钽金属粒子中含有其它元素对介质层质量的均一性影响重大.特别是氧含量高低对钽电容器的漏电流影响是致命的.因此, 使用高氧含量的铌粉会出现的问题似乎早已经决定.但是,陶瓷电容器的介质层特性引起了钽电容器专家的注意;使用氧化物一样可以形成具有单向导电性的介质层.而且,在电容器介质层电化学形成理论上我们显然过于墨守成规. 
 我们总认为制造电容器的纯钽元素中氧含量高会导致漏电流大这一判断也适用于铌电容器.实际上只对了一半;当使用纯铌来生产铌电容器时,这一;理论正确,而对于铌氧化物,我们对其在电化学状态下的变化理论显然了解的很不够; 实际上,使用低价的铌氧化物一样可以通过简单的电化学方法生产出性能优良的五氧化二铌介质层,这样,一种新的电解电容器就问世了,它使用的基材根本不是杂质含量约低越好的钽或者铌,而是一种氧含量必须在14.5-15.5%的富含氧的一氧化铌. 
 一氧化铌一直是玻璃及光学器材上大量使用的一种材料,使用它来生产电解电容器,完全是一种理论上的创新,因此使用它生产出的氧化铌电容器也就必然和钽电容器完全割断了血缘关系;它完全是一种具有许多新奇特性的电解电容器. 
 氧化铌电容器与钽和铌电容器的区别;
 1.失效模式不一样; 
      钽或铌电容器的失效模式基本相同;当击穿时容量丧失,当通过电流不加限制时会迅速燃烧或爆炸形成短路. 
       氧化铌产品在即使是经受了十倍电压击穿时,仍然可以保持容量和损耗不变.即使是施加的电流很高,通过的电流仍然能够在10MA以内,产品的滤波特性仍然能够保持. 
    使用在充放电电路,只是输出的功率密度下降. 
 2、根本不燃烧不爆炸,不会形成短路. 
 3、氧化铌产品的抗浪涌能力
 由于使用基材具有阻燃性,相同的电压下生成的介质层比钽介质层厚30%,因此具有更高的抗浪涌能力. 
同条件下抗浪涌能力高30%. 
 4、氧化铌产品的耐纹波能力
由于产品通过大电流时不会发热燃烧,因此耐纹波能力比钽高一倍. 
可以使用在存在较高纹波的开关电源电路. 
5、使用电压和额定电压
    钽和铌电容器由于通过电流大时会导致发热击穿,因此使用低阻抗电路时必须降额到额定电压的1/3才可以保证安全使用. 
    氧化铌电容器的使用电压可以接近额定电压下使用.在室温时几乎不需要降额就可以保持高可靠性. 
6、可靠性
 以1000小时,60%的置信度算; 
钽电容器可靠性;1% 
氧化铌电容器可靠性;0.2% 
可靠性比钽电容器高5倍 
7、体积容量比
 与钽电容器基本相同,只是在一部分小容量上不能与钽相比. 
8、温度特性
 由于氧化铌电容器不容易燃烧和爆炸,因此可安全使用的漏电流标准比钽电容器大一倍. 
9、负温特性和正温特性基本相同 
10、耐焊接热性能
 可经受260度/10秒波峰焊或再流焊接性能不出现异常. 
11、频率特性
 与相同容量和电压的同壳号钽电容器相同

 12、价格
 由于使用了新材料和新技术,但价格与钽电容器相同或稍低. 
 氧化铌电容器的缺点
 最高额定电压只能达到16V,无高压产品. 
 结论
 从性能和安全性上比较,氧化铌电容器完全可以达到更高的可靠性. 
在安全性上完全避免了钽电容器的致命缺点,可以达到任何电路的安全性要求. 
完全符合ROhS标准. 
在存在浪涌的开关电源电路上可以代替25V以下钽电容器. 
是25V以下的钽电容器的换代产品. 

图解：片式氧化铌

钽电容和氧化铌电容的优点及应用指南

电容被广泛应用于许多汽车电子系统，其质量、稳定性和可靠性必须经过汽车制造商的严格把关。

 如果将钽电容和氧化铌电容与其它电容技术相比，我们可以发现许多显著优势。

 与铝电解电容相比

与铝电解电容不同的是，钽电容和氧化铌电容不存在干涸效应，因此具有更稳定的电气参数(电容、ESR、漏电流等)，这意味着它们的性能和功能可以在长时间内保持一致和可靠。

 与多层陶瓷芯片电容相比

 钽电容和氧化铌电容不存在任何压电效应，压电效应会在多层陶瓷电容(MLCC)中产生讨厌的额外噪声。钽和氧化铌器件的另一个优势是在一定温度和直流偏置范围内具有更好的参数稳定性。宽频耦合要求高端电容在一定温度和直流电压范围内保持稳定。由于没有压电效应，电容值随温度变化较小，且与电压无关，钽或氧化铌电容比MLCC更适合用于耦合电路。

此外，AVX公司的钽电容和氧化铌(OxiCap)电容是根据汽车质量标准TS16949生产的，各系列电容完全满足AEC-Q200技术要求，是汽车应用的理想之选。

 AVX钽电容和氧化铌电容应用指南

 为了在设计中能正确使用钽电容和氧化铌电容，我们必须充分考虑目标电路和设备的所有重要的电气和物理条件。输入参数通常需要提供电容值，这个值可以根据电源线滤波比、最大压降等计算出来。正确选择电容需要考虑的另一个重要参数是直流工作电压。推荐电压降额使用这个一般规则很重要，对所有钽电容来说降低幅度为50%，氧化铌电容是20%，这意味着钽电容的工作电压最高为额定电压Vr的一半，氧化铌电容的工作电压为其额定电压的80%。遵守这个规则很重要，因为这样做可以保护器件免受意外电流浪涌和过压的伤害，而这种情况在汽车电路中很可能发生。然而，用于主输出电路的钽电容降额电压与汽车电池线有很好的隔离，在过压时具有保护作用，并具有缓慢加电模式(软启动电路)，比如低功率DC/DC转换器的输出。在这种情况下，允许使用低至20%的降额幅度。工作温度范围告诉我们选择电容时主要考虑最大温度值，但也要认识到，当高温超过85℃时我们必须使用额外的电压温度降额值。在实际温度下电容允许的最大直流电压被称为类别电压(额定电压只是在室温25℃情况时的其中一种类别电压值)。

如果正常工作温度超过85℃，那么工作降额与温度降额应结合起来考虑。例如，在可能出现浪涌和电压尖峰的电路中最高工作温度达125℃的钽电容：工作降额为50%，即电压最高为额定电压Vr的50%，125℃时(最坏情况下)的温度降额为33%，即电压最大值是Vr的66%。两者结合后为0.5×0.66=0.33，这意味着钽电容可以在最大为额定电压Vr的33%的电压下使用(针对最差工作条件)。
图1：胎压监控系统模块图。

 要想避免电容出现上电或启动电流过载，了解经过电容的最大工作浪涌电流(单峰)很重要。这个电流可以根据电源内部电压以及与待测电容串连的所有器件的内部电阻(包括有效串联电阻ESR)计算出来。工作最大浪涌电流应小于电容的最大允许浪涌电流Ipmax=(1.1×Vr)/(0.45+ESR)。在工作电流太高的情况下可以采取更大的降额幅度，因此选择的额定电压越高，电容的最大浪涌电流Ipmax也越大(见上图)。

电容的最大纹波电流是流过电容的最大交流电流值，它有两个主要的参数：有效值(rms, ACIrms, Ir)和频率f。纹波电流受限于电容ESR上的电流产生的最大功耗Pd。电容体积越大，允许的功耗也越大，每种体积的功耗是常数。ESR越小，功耗就越小，允许的纹波电容也就越大。参见一般公式Pd=ESR×Ir×Ir。对有较高要求的纹波电流来说，低ESR、大体积、可能多阳极的结构是最佳选择。

 以上应用规则的结合可以帮助设计师选定具有特定体积的合适电容，或将体积放在标准的第一要素，然后在设计过程中根据其它优先级列表进行适当调整。有可能出现只有一个电容不能满足应用需求、因此需要同时使用多个器件的情况，此时基本上只推荐相同的电容进行整合。并行连接可以增加电容值(乘法)和降低ESR(除法)，而串行连接可以增加总的允许直流电压值(额定电压相乘)，但会降低电容容量(除法)和增加ESR(乘法)。对于串行连接而言，推荐用分压器并行连接电容，此时电阻值应根据10倍的电容直流漏电流(类别值)进行计算。

  标准可靠性电容，比如AVX的TAJ/TPS(1%/1000小时)，非常适合一般汽车系统使用。TAJ器件提供标准的ESR性能：需要更低ESR值的设计师应选用TPS器件。这些电容容量最高可达2200μF，最高额定电压为50V，工作温度范围为-55℃至125℃。低ESR的TPS系列电容非常适合要求能量脉冲的应用使用，以便电容支持负载处的电源。图A显示了用于设置座位位置的步进电机的桥接电路。电容放在电机旁边，有助于向电机提供电流脉冲。

 图2：汽车汽油发动机单元。

 开关模式电源(SMPS)电路在主输出电容位置也要求使用低ESR电容。汽车中使用的几乎所有电子部件都适应电源输入端的DC/DC电源，而且大部分是SMPS，这要归功于它们的高能效值。SMPS中使用的TPS或TPM(多阳极结构)电容有助于提高效率和降低(欠载时的)输出纹波电压，因为它们具有较低的ESR。