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T/R组件是相控阵雷达射频电路的最重要组成部分,雷达发射出去的不同频率的照射电磁波就是由此产生. 因为电磁波的强度和可以探测的距离成正比,因此,不同探测距离要求的T/R组件要求的发射功率也不一样. 当功率较高的电磁波按照一定频率进行照射时,瞬间需要的电功率很高, 因此,每一个T/R组件模块里必须使用一定数量的电容器作为瞬时补偿电源.由于极短时间内的功率密度要求巨大[一个脉冲],因此,无法使用单一功率电源给所有T/R组件供电.只能使用多只电容器并联组合作为二级瞬时电源来使用.
能够满足T/R组件里容量和体积比要求的电容器,必须能够同时保证环境温度大幅度变化和可靠性要求较高时,电容器的性能不能有明显变化.这样, 目前能够达到此体积和功率要求及温度特性和可靠性要求的,只有片式钽电容器可以做到.
作为T/R组件里的瞬时电源使用的片式钽电容器, 必须满足不同温度时大功率充放电时仍然具有非常高的可靠性,否则非常容易导致价格昂贵的T/R组件整体失效.
为了保证大功率的T/R组件的工作可靠,使用在此电路的片式钽电容器必须达到如下性能要求;
一. 该电容器必须具有尽可能低的直流漏电流;
钽电容器的漏电流和实际耐压及其绝缘电阻之间存在如下数学关系;
I=UR/R
上式是欧姆定律的数学表达式,但是,对于钽电容器, I表示的是该产品的实际漏电流而不是导体中通过的电流,UR是该产品的实际耐压而不是电路中实际施加的电压,R是该产品的实际绝缘电阻而不是该产品的电阻. 这些实际内容上的区别非常重要.
从上式中,我们可以推导出这样的规律;当漏电流偏大时,产品的实际绝缘电阻就会下降,同时,该产品的实际耐压也会下降.同样的道理,如果实际漏电流较小的产品,其绝缘电阻也将较高,其实际耐压也会更高. 此规律在高温时对钽电容器的可靠性意义重大; 当高温时该产品的实际漏电流较大时,其实际耐压就会大幅度下降,因此,高温时钽电容器的失效率就高得多. 因此,对钽电容器的可靠性影响最大的参数就是该产品的漏电流大小,特别是高温时该产品的漏电流变化率高低可以直接成为该产品可靠性高低的最主要的判定参数.
在使用电压较高时,片式钽电容器的漏电流偏大的产品在进行频繁的大功率放电时会出现爆炸失效现象.作为T/R组件中的瞬时电源,为了保证电磁波发射的功率强度足够[可以探测的距离和强度成正比],施加到电容器上和电容器放电时的功率均较大,此时,如果漏电流偏大,非常容易导致击穿瞬间发生,从而造成该T/R组件功能失效.
制约片式钽电容器的漏电流大小的条件主要是电容器生产厂家的工艺技术水平,在此方面,各家片式钽电容器生产商的实际生产水平相差巨大.但由于GJB-2283-95的标准对漏电流的要求较宽,因此,从简单的测试看,好象那家公司都能够生产出合乎标准的片式钽电容器,而实际却不竟然,各家生产出的相同规格的片式钽电容器的实际漏电流水平和可靠性水平相差非常大.如果使用厂家只是通过形式化的简单测试,根本发现不了其中的差别.因此,不断的失效问题就一直在困扰着电容器使用者.
钽电容器在实际制造过程中，由于使用的原材料性能差异和工艺水平不同以及装备性能的不同，批量生产出的产品的性能尽管都符合标准规定，但实际上不同生产厂家生产的产品的性能存在明显的质量差异。即使是同一生产批，不同只产品实际上也存在质量差异。造成此现象的深层次原因是钽电容器复杂的生产工艺过程使产品参数不可能保持绝对的完全一致，因此,追求质量一致性和追求高性能就成为所有生产厂家的重要目标。而对于用户而言，造成使用时失效的原因主要有两点；一；产品性能参数与电路使用条件不匹配。二；由用户提供的产品存在质量问题。对于第二种问题，用户实际上可以通过简单的测试方法就可以鉴别出钽电容器的性能是否能够达到使用要求，而不只是通过高成本的带冒险性质的小批生产来鉴别钽电容器的实际性能高低。以下内容就是通过钽电容器基本的性能特点总结出的规律，用户可以通过这些简单的测试方法就可以避免有可能出现的严重质量问题。
1．0． 钽电容器的各电性能参数对使用时可靠性的影响
钽电容器的实际参数如下；
1． CR；额定容量。[uF]
2． DF；损耗。[%]
3． DCL;直流漏电流。[uA]
4． ESR;等效串联电阻。[Ω]
1．1． 容量精度对使用影响及可靠性影响简单说明；在实际工作状态，容量大小可以决定滤波后的信号响应速度和波幅大小，在脉冲充放电电路中可以决定输出电流波形是否合乎要求。但是，除非在工作频率非常高的电路需要滤波的信号较弱时，必须需要高的容量精度，一般的DC-DC电路中的滤波和脉冲充放电，容量的微小偏差根本不会影响使用效果，更不会影响可靠性。因此，在实际使用中容量的偏差幅度大小不会对可靠性造成任何影响。
1．2． 损耗大小对产品使用影响及可靠性影响说明；
损耗是表征钽电容器本身电阻能够造成的无效功耗比例的一个参数，损耗较小的产品ESR也将较小。但损耗大小的微小差别不会对使用造成明显影响，对工作状态的产品的可靠性影响与容量偏差的影响相比较大，但与产品漏电流大小和ESR大小对使用时的可靠性的影响相比仍然较小，滤波时如果产品的损耗较大，滤波效果差一些。但是，损耗较大的产品的抗浪涌能力也较差。
1．3． DCL值是钽电容器性能高低的最重要的决定性参数，特别是产品漏电流的衰减速度和高温时的漏电流变化率将对产品的可靠性起到决定性的影响。因此，一只产品在使用时的可靠性高低主要取决于该只产品的漏电流大小和高温时该只产品的漏电流变化率。特别是在无电阻保护的低阻抗开关电源电路[也叫DC-DC电路或低阻抗电路]和大功率脉冲充放电电路里使用时，该只产品的上述特性将对电路可靠性影响非常大，几乎是决定性的。因为此类电路中存在频繁的浪涌电压和浪涌电流，耐压不够和高温时漏电流变化大的产品根本不能承受浪涌冲击，瞬间就有可能被击穿而失效或爆炸。
作为钽电容器的生产者，大家都在尽力追求相对条件下的[容量和体积及额定电压一样]更低的漏电流，因为漏电流越低的产品可靠性越高是大家尽知的基本常识。但是，由于各家生产技术水平不一致，加之GJB2283-95中关于漏电流的标准过于宽松[这样的条件下的产品可靠性实际上无从谈起]，因此各家提供给用户的产品的DCL值实际上都差别较大，但由于标准宽松，所以，粗看，都是合格的，但可靠性却相差非常大。存在质量缺陷的产品就这样由于标准较宽而被送到要求较高的用户。
不同生产厂家生产的相同规格的产品的漏电流衰减速度完全不一样，尽管它们都是合格品。钽电容器的漏电流会随充电时间延长而逐渐降低，3分钟内达到稳定态，但不同质量的产品在充电时的漏电流衰减速度却因为不同的生产条件而不同。衰减速度快的产品由于在极短的时间内通过电流较小而产生的热量较小，因此，产品几乎不存在可导致产品瞬间失效的过高热量集中，因此产品不容易发热失效。通过的漏电流小，说明该产品的介电层质量较好，可以安全承受更高的电压和电流冲击，而漏电流衰减速度慢的产品，不光容易在浪涌产生时因为通过电流大而击穿，而且极易爆炸燃烧，对使用者造成毁灭性影响。因此，用户可以通过测试钽电容器的漏电流衰减速度来甄别钽电容器耐电压冲击能力和耐电流冲击能力。
另外,从相同规格的产品在不同电压下测试出的漏电流的变化曲线看，钽电容器的漏电流会随测试或使用电压的增加而增加，至到击穿[这种现象叫做钽电容器的伏安特性]。但不同厂家生产的产品，漏电流增加的程度会有很大差别，实际上，钽电容器容许施加1.3倍的额定电压而不会出现任何质量问题，但如果某只产品的漏电流随电压的变化而变化过大的话，这样的产品将不能承受过高的工作电压，同样，它也不能承受即使是偏高的浪涌电压冲击。
质量较高的产品的漏电流在规定的测试或使用电压范围内变化将较小，反之，产品的质量将不能满足用户的基本要求。这样的产品因为抗浪涌能力较差,因此,使用在存在大的脉冲电流的电路将非常容易出现击穿现象.
第三,从钽电容器的漏电流和工作温度之间的关系曲线可以看出,钽电容器的漏电流会随使用温度的增加而增加,此曲线称作漏电流温度曲线.但不同厂家生产的相同规格的产品，常常由于生产工艺和使用的原材料及设备精度不同而高温漏电流变化存在非常大的差别.高温漏电流变化大的产品在高温状态会由于自己产生的热量的不断累积而最终出现击穿现象.高温漏电流变化小的产品在高温下长时间工作，产品的稳定性和可靠性将较高.因此高温时产品漏电流变化率的大小可以决定钽电容器的可靠性. 对于片式钽电容器,高温性能高低对可靠性有决定性的影响.
上面的说明已经很透彻地把把T/R组件中需要的钽电容器的漏电流性能要求说明白了; 选择漏电流性能更好的产品是决定T/R组件可靠性的首要条件. 为了保证此点要求,电容器使用者必须按照上面所述,对各家提供的片式钽电容器的实际性能进行更全面的测试, 保证选择的钽电容器的性能最好才是可靠性有保证的前提.
二.该片式钽电容器必须具有尽可能低的等效串联电阻ESR;
ESR是片式钽电容器在较高频率时的自有阻抗, 如果ESR较高,在进行大功率放电时相当一部分电能会瞬间转换成热能导致电容器的内部温度升高,由于电容器的漏电流会随温度增加而增加,而漏电流增加又会导致电容器的介质层的实际绝缘电阻下降,因此,发热严重的电容器会非常容易出现击穿现象. 即使不出现由于ER高导致的击穿,自有阻抗的增加还会导致瞬间放电时的功率密度降低的问题.
由于电容器在进行大功率放电时必然存在的热平衡问题,因此,在阻抗一定时,片式钽电容器使用在直流大功率放电电路中可以安全承受的最大直流电流冲击见下式;
I=UR/1+ESR
上式中;
Ｉ：最大的直流浪涌电流（Ａ）
ＵＲ：额定电压（Ｖ）
ＥＳＲ：等效串联电阻（ ）
从上式可以看出,如果一只产品的ESR较大,那么它可以安全承受的直流浪涌电流将降低,同时也证明;如果一只产品的ESR是另一只的一半, 那么它的抗直流浪涌能力将高一倍. 同时它的滤波特性也将较好.
另外; 不同ESR值的产品在存在交流纹波的电路里, 一定时间内产生的热量也与其ESR值高低成比例,ESR越高的产品在一定的时间内产生的热量也越高,因此,不同规格的产品由于阻抗ESR值不一样,具有不同的耐纹波电流能力. ESR低的产品不光在高频使用时容量衰减较少,滤波效果较好而可以使用在更高频率的电路,同时因为它具有更大的抗浪涌能力,也成为可靠性要求较高的不断通过瞬时大电流的脉冲充放电电路的基本要求. 这也是我公司付出非常大的投入开发CAk45W系列超低ESR产品的根本性原因.
三.该片式钽电容器必须具有优良的高温性能;
军用电路一般都使用在各种极限条件下,因此,当该电容器的工作温度较高时,其高温性能将直接可以决定其可靠性如何.
按照GJB2283-95相关文件要求,高温下的实际漏电流没有测试要求,只是对通过高温加电实验的产品进行室温漏电流测试.这是GJB2283-95存在的明显失误之一;因为很多在低温时漏电流不大的片式钽电容器,由于制造工艺技术问题,在高温时漏电流变化率非常高,尽管由于标准很宽可以算合格,但高温时漏电流变化大的产品的可靠性非常差,因此,为了保证T/R组件的高可靠性,其使用的片式钽电容器的高温漏电流必须尽可能小.
此点问题带来的失效非常隐蔽,多数用户都不知道. 因此,我建议T/R组件用的片式钽电容器,必须选择在高温时的漏电流变化最小的产品,否则,即使是降额较大也不能避免失效问题的发生.
我衷心希望我们的T/R组件电路设计和生产者认真参考我的上述分析.
作者：祁怀荣
来源：http://blog.163.com/qhrong718@126/blog/static/8824275220110144612297/
