Estoy en mi primer diseño de placa grande, y recién empiezo a darme cuenta de lo exasperante que puede ser diseñar con capacitores.
Anexo A: Necesito 100uF para un circuito simple para mantener mi FPGA encendido durante 1 ms después de que se corta la energía. Esto es difícil de encontrar en una cerámica rentable, pero debido a que solo se usa para el almacenamiento de energía, puedo lidiar con el tantalio. Así que empiezo a buscar un tantalio de 100uF que sea bueno para 25V, debería ser fácil, ¿no?
Probablemente lo sea, pero he notado que todos los tantalios citan resistencias entre 2000 y 10000 horas. Esto parece terrible, eso es apenas un año de funcionamiento continuo. Estos números se cotizan en Tmax, entonces, ¿cómo puedo reducir la potencia para una temperatura más baja? Por ejemplo, a 55 °CI, imagine que la vida útil es más razonable, pero no puedo encontrar ningún recurso al respecto. ¿Hay alguna forma de saberlo? ¿Es un juego de dados? Si es así, ¿no es increíblemente arriesgado diseñar con tapas de tantalio en algo que espera ser utilizado en el orden de los años? ¿Cómo lidias con este enigma?
Editar Desde entonces, me encontré con dos recursos que ayudaron a mi nivel de comodidad con las vidas de tantalio, que agregaré aquí para ayudar a cualquier otra persona que se encuentre con esta pregunta. AVX tiene un manual útil sobre la reducción de potencia de tantalio que repasa los cálculos de MTBF:
Reglas de reducción de voltaje para capacitores de tantalio sólido y niobio
Mejor aún, Vishay tiene una "calculadora FIT" muy simple que realiza cálculos sencillos de MTBF para todas sus familias de tantalio. Jugar con esto fue muy útil para enmarcar los valores MTBF típicos en mi mente:
Extrañamente, Kemet solo tiene una calculadora de este tipo para aluminios, y aunque puedo encontrar referencias en línea a una calculadora AVX, no puedo encontrarla en su sitio a partir de septiembre de 2017.
¿Cómo reduzco la potencia para una temperatura más baja? Por ejemplo, a 55 °CI, imagine que la vida útil es más razonable, pero no puedo encontrar ningún recurso al respecto. ¿Hay alguna forma de saberlo? ¿Es un juego de dados?
Si el fabricante no proporciona la información, puede probarlo usted mismo o enviar un correo electrónico al fabricante y ver si pueden proporcionar más información. Hay dos razones por las que no lo hicieron:
Una es que la vida útil de una tapa a temperatura ambiente es significativamente mayor que la de un condensador de alta temperatura y el tiempo de prueba se vuelve prohibitivamente largo.
La segunda razón es que la degradación ocurre más rápido a altas temperaturas, por lo que proporcionan la especificación a altas temperaturas para proporcionar un límite superior y mostrar que la vida útil se degradará si los ejecuta a +50 °C.
Otra cosa a tener en cuenta es que un fabricante nunca puede proporcionar una hora exacta de falla, solo un tiempo medio entre fallas (MBTF), por lo que si su aplicación es crítica, será necesario probar y comprar piezas de alta confiabilidad.
Nunca he tenido un problema con los capacitores de tantalio funcionando en productos a 40C durante años. Y las especificaciones probablemente se degradan un poco con respecto a las especificaciones originales, pero en mi aplicación las uso como condensadores de filtro de potencia y mi diseño es tolerante a una ligera degradación de unos pocos porcentajes.
Si es así, ¿no es increíblemente arriesgado diseñar con tapas de tantalio en algo que espera ser utilizado en el orden de los años? ¿Cómo lidias con este enigma?
1) No utilice los condensadores para aplicaciones que dependan del valor de los condensadores.
2) No los haga funcionar a alta temperatura.
3) Utilice el tipo adecuado de condensador de tantalio, el electrolito marca la diferencia.
4) Saber cuáles son los modos de falla y mitigarlos:
La vida útil, la vida útil, la vida de carga o la vida útil de los condensadores electrolíticos de tantalio depende completamente del electrolito utilizado:
- Los que usan electrolitos líquidos no tienen una especificación de vida útil. (Cuando está sellado herméticamente)
- Aquellos que usan electrolitos de dióxido de manganeso no tienen una especificación de tiempo de vida.
- Aquellos que usan electrolitos poliméricos tienen una especificación de vida útil.
El electrolito de polímero tiene un pequeño deterioro de la conductividad por un mecanismo de degradación térmica del polímero conductor. La conductividad eléctrica disminuyó, en función del tiempo, de acuerdo con una estructura de tipo metal granular, en la que el envejecimiento se debe a la contracción de los granos de polímero conductor.[62] La vida útil de los capacitores electrolíticos de polímero se especifica en términos similares a los de las tapas electrolíticas no sólidas, pero el cálculo de su vida útil sigue otras reglas que conducen a una vida útil operativa mucho más prolongada.
La película de óxido extremadamente delgada de un capacitor electrolítico de tantalio, la capa dieléctrica, debe formarse en una estructura amorfa. Se informa que cambiar la estructura amorfa a una estructura cristalizada aumenta la conductividad 1000 veces, combinado con un aumento del volumen de óxido.[12] La cristalización del campo seguida de una ruptura dieléctrica se caracteriza por un aumento repentino de la corriente de fuga en unos pocos milisegundos, desde una magnitud de nanoamperios a una magnitud de amperios en circuitos de baja impedancia. El aumento del flujo de corriente puede acelerarse en un "efecto de avalancha" y propagarse rápidamente a través del metal/óxido. Esto puede resultar en varios grados de destrucción, desde áreas quemadas más bien pequeñas en el óxido hasta rayas quemadas en zigzag que cubren grandes áreas del gránulo o la oxidación completa del metal. [7] Si la fuente de corriente es ilimitada, una cristalización de campo puede provocar un cortocircuito en el condensador. En esta circunstancia, la falla puede ser catastrófica si no hay nada que limite la corriente disponible, ya que la resistencia en serie del capacitor puede llegar a ser muy baja. Si se limita la corriente en los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de MnO2 sólido, puede tener lugar un proceso de autorreparación, reduciendo el MnO2 en Mn2O3 aislante.
Las impurezas, los pequeños daños mecánicos o las imperfecciones en el dieléctrico pueden afectar la estructura, cambiándola de estructura amorfa a cristalina y, por lo tanto, reduciendo la rigidez dieléctrica. La pureza del polvo de tantalio es uno de los parámetros más importantes para definir su riesgo de cristalización. Desde mediados de la década de 1980, los polvos de tantalio fabricados han mostrado un aumento en la pureza.
Las sobretensiones después de las tensiones inducidas por la soldadura pueden comenzar la cristalización, lo que lleva a la ruptura del aislamiento.[69] La única forma de evitar fallas catastróficas es limitar la corriente que puede fluir desde la fuente para reducir la falla a un área limitada. La corriente que fluye a través del área cristalizada provoca el calentamiento del cátodo de dióxido de manganeso cerca de la falla. A temperaturas más altas, una reacción química reduce el dióxido de manganeso conductor circundante al óxido de manganeso (III) aislante (Mn2O3) y aísla el óxido cristalizado en la capa de óxido de tantalio, deteniendo el flujo de corriente local.[7][66] Prevención de fallas
Los condensadores de tantalio sólido con cristalización tienen más probabilidades de fallar al encenderse.[70] Se cree que el voltaje a través de la capa dieléctrica es el mecanismo desencadenante de la ruptura y que la corriente de encendido empuja el colapso a una falla catastrófica. Para evitar estas fallas repentinas, los fabricantes recomiendan:[12][66][71]
50% application voltage derating against rated voltage using a series resistance of 3 Ω/V or using of circuits with slow power-up modes (soft-start circuits).
Tony Estuardo EE75
marcelmo
Neil_ES
Tony Estuardo EE75
jalalipop