เทคโนโลยีตัวเก็บประจุหลักเกือบทั้งหมดจำเป็นต้องมีการลดค่าบางอย่างในเงื่อนไขการทำงานที่มุมของมัน อย่างไรก็ตาม เหตุผลทางกายภาพสำหรับสิ่งนี้อาจเฉพาะเจาะจงกับเทคโนโลยีตัวเก็บประจุแต่ละตัว เช่น ความน่าเชื่อถือ ความเสถียรของพารามิเตอร์ไฟฟ้าหลัก หรือการป้องกันกระแสไฟกระชากที่มากเกินไป …

มีพารามิเตอร์การลดพิกัดสองแบบที่พบได้บ่อยที่สุด ได้แก่ แรงดันไฟฟ้า (ซึ่งอาจรวมถึงข้อจำกัดกระแสไฟฟ้าที่ซ่อนอยู่) และอุณหภูมิ ปัจจัยการลดพิกัดโดยทั่วไปจะอยู่ในความสัมพันธ์เชิงตรรกะ " หรือ " " อะไรก็ตามที่มากกว่า " ดังนั้นหากกฎการลดพิกัดแรงดันไฟฟ้าระบุว่า 20% และเนื่องจากอุณหภูมิ คุณต้องลดพิกัด 30% เช่นกัน เงื่อนไข "อะไรก็ตามที่มากกว่า" จะใช้ได้ ซึ่งหมายความว่าการลดพิกัด 30% ครอบคลุมทั้งข้อกำหนดการลดพิกัดแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ

ตัวอย่างแผนภูมิการลดแรงดันตัวเก็บประจุ:

รูปที่ 1 แผนภูมิตัวอย่างการลดระดับของตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลีเมอร์

แนวคิดหมวดหมู่และการลดระดับ

คำแนะนำสำหรับการลดแรงดันไฟหมายถึงว่าควรใช้ตัวเก็บประจุจริงในแอปพลิเคชันที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด การลดแรงดันไฟจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดซึ่งจะต้องลบออก ตัวอย่างเช่น การลดแรงดันไฟ 20% หมายถึงว่าควรใช้ตัวเก็บประจุที่แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด 80% สำหรับการใช้งานเฉพาะ (ตัวเก็บประจุ 10V จะต้องใช้กับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 8V)

จุดประสงค์ของการลดระดับคือเพื่อลดจำนวนปัจจัยเร่งโหลดที่ตัวเก็บประจุ ปัจจัยเร่งหลักสองประการคือแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ

ตามสมการ ปริมาณพลังงาน C1-20 ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้ายกกำลังสอง ดังนั้น การลดแรงดันไฟฟ้า (การลดระดับแรงดันไฟฟ้า) จึงมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการจัดการพลังงานโดยรวมผ่านตัวเก็บประจุ เหตุผลในการลดระดับแรงดันไฟฟ้าอาจแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีตัวเก็บประจุ โครงสร้าง และการใช้งาน เหตุผลทั่วไปหลักในการลดระดับแรงดันไฟฟ้าอาจเป็นดังนี้ อย่างไรก็ตาม อาจเป็นการดีที่จะศึกษาแนวทางการใช้งานของผู้ผลิตตัวเก็บประจุ

• การลดอุณหภูมิการทำงานสูง (“การลดอุณหภูมิ”) และแนวคิดหมวดหมู่

ตัวเก็บประจุที่ออกแบบมาสำหรับแรงดันไฟฟ้า DC จะไม่สร้างความร้อนภายใน ดังนั้น จึงมักจะใช้กับแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงมากหรือน้อยได้จนถึง แรงดันไฟฟ้าประเภทบน ซึ่งลักษณะอุณหภูมิของวัสดุจะกำหนดขีดจำกัด ซึ่งเกิดขึ้นที่ อุณหภูมิประเภทบน T UCในคำศัพท์อื่นๆ ที่เรียกว่า อุณหภูมิใช้งานสูงสุดการเชื่อมต่อจะแสดงในรูปที่ 2 ต่อไปนี้ เส้นโค้งการลดพิกัดที่เปลี่ยนแปลงจะแสดงใน MIL-HDBK-1547

รูปที่ 2 การลดแรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปที่อุณหภูมิหมวดบน

หมายเหตุ: การลดระดับลงเนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานที่สูง (ดูด้านล่าง) บางครั้งเรียกว่า "การลดระดับอุณหภูมิ" แต่สิ่งนี้อาจทำให้เกิดความสับสนได้ กลไกการเสื่อมสภาพมักเร่งขึ้นโดยปัจจัยทั้งอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้า เพียงแต่มีค่าสัมประสิทธิ์รากที่แตกต่างกันและผลกระทบหลัก ดังนั้นคำว่า "การลดระดับอุณหภูมิ" ควรปล่อยให้เป็น "ข้อจำกัดในการใช้งานตัวเก็บประจุที่อุณหภูมิต่ำกว่าค่าที่กำหนดเนื่องจากกลไกการเสื่อมสภาพทางกายภาพที่ขับเคลื่อนด้วยอุณหภูมิเป็นหลัก" กล่าวอีกนัยหนึ่ง เราจำเป็นต้องมีการลดระดับแรงดันไฟฟ้าเพื่อจำกัดปริมาณพลังงานโดยรวมในตัวเก็บประจุ แต่ในบางกรณี กระบวนการเสื่อมสภาพจะเร่งขึ้นมากขึ้นโดยปัจจัยอุณหภูมิ (และเราต้องการจำกัดสิ่งนี้ด้วยการจำกัดอุณหภูมิที่สัมผัสสูงสุด "การลดระดับอุณหภูมิ")

• การจำกัดโหลดกระแสไฟกระชาก

ตัวเก็บประจุบางชนิด เช่น ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลัมโซลิด อาจมีข้อจำกัดในค่ากระแสไฟกระชากสูงสุดที่อนุญาต กระแสไฟกระชากที่เกินอาจทำให้เกิดความเสียหายจากความร้อนในบางกรณี และในบางกรณีอาจถึงขั้นเสียชีวิตได้ วิธีปฏิบัติเพื่อเพิ่มความสามารถในการรับกระแสไฟกระชากคือใช้ตัวเก็บประจุแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่งคือใช้การลดพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น คำแนะนำในการลดพิกัดอาจขึ้นอยู่กับฟังก์ชันวงจร การใช้งาน หรือเทคโนโลยีตัวเก็บประจุเฉพาะ

ตัวอย่าง ของตัวเก็บประจุแทนทาลัมแบบโซลิด กฎพื้นฐานมีดังนี้:

ตัวเก็บประจุแทนทาลัม MnO2: ลดค่าลง 50% ในการใช้งานไฟกระชากกระแสสูง (เช่น ด้านอินพุตของตัวแปลง DC/DC หรือโดยตรงบนแบตเตอรี่) 20% สำหรับการใช้งานอื่นๆ (การเชื่อมต่อ การกำหนดเวลา เอาต์พุต DC/DC)

ตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลีเมอร์: 10% สำหรับวงจรทั้งหมดสำหรับตัวเก็บประจุ <= 10V, 20% สำหรับวงจรทั้งหมดสำหรับตัวเก็บประจุ >10V

โดยทั่วไปแนวทางการลดระดับจะระบุไว้ที่ 105°C (การลดระดับอุณหภูมิ) อาจจำเป็นต้องลดระดับเพิ่มเติมจนถึง 125°C

• การปรับปรุงความน่าเชื่อถือ

แรงดันไฟฟ้าถือเป็นตัวเร่งที่แข็งแกร่งที่สุดตัวหนึ่งสำหรับกลไกความล้มเหลวจำนวนหนึ่ง ดังนั้น การลดลงนี้จึงอาจปรับปรุงความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบได้อย่างมีนัยสำคัญ

ตัวอย่างเช่น อายุการใช้งานของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์อลูมิเนียมหรือแบบฟิล์มนั้นขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ และการลดแรงดันไฟฟ้าถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการเพิ่มอายุการใช้งานและลดอัตรา MTBF

• เสถียรภาพพารามิเตอร์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ (ตัวเก็บประจุ MLCC)

แรงดันไฟฟ้าอาจมีบทบาทสำคัญในการยับยั้งกลไกต่างๆ เฟอร์โรไดอิเล็กตริกที่มีค่าโพแทสเซียมสูง เช่น BaTiO3 ที่ใช้ในตัวเก็บประจุ MLCC คลาส II มีคุณสมบัติการพึ่งพาค่าความจุกับแรงดันไฟฟ้า AC และ DC อย่างมาก (ผลกระทบของแรงดันไฟฟ้า DC BIAS) แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ยังเป็นเงื่อนไขของเอฟเฟกต์เพียโซซึ่งอาจทำให้เกิดเสียงรบกวนที่เป็นอันตรายจากตัวเก็บประจุ MLCC คลาส II

การลดแรงดันไฟฟ้าอาจยับยั้งปรากฏการณ์เหล่านี้ได้อย่างมาก และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุ MLCC คลาส II

การคูณข้อกำหนดการลดอัตรา

ข้อกำหนดการลดแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันมักจะอยู่ในตรรกะ "OR" "อะไรก็ตามที่มากกว่า" ซึ่งหมายความว่าหลักการลดแรงดันไฟฟ้าที่มากที่สุดจะถูกนำไปใช้เท่านั้น

ตัวอย่าง: ด้านอินพุต 12V ของตัวแปลง DC/DC (การใช้งานโหลดกระแสไฟกระชากสูง) อุณหภูมิการทำงานสูงสุดของอุปกรณ์ปลายทาง: 125°C และ 105°C เราสามารถใช้ตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลีเมอร์หรือแทนทาลัม MnO2 16V ได้หรือไม่

• อุปกรณ์ 125°C ที่ใช้โพลีเมอร์แทนทาลัม : ขอแนะนำให้ลดแรงดันไฟลง 20% สำหรับตัวเก็บประจุโพลีเมอร์แทนทาลัม 16V ในทุกการใช้งาน และจำเป็นต้องลดแรงดันไฟลง 33% ที่อุณหภูมิ 125°C (ไม่มีการลดแรงดันไฟลงถึง 105°C) คุณสามารถใช้แรงดันไฟสูงสุด 10.7V กับตัวเก็บประจุได้ตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานจนถึง 125°C (การลดแรงดันไฟลง 20% จะถูกครอบคลุมโดยการลดแรงดันไฟลง 33%) ดังนั้น ตัวเก็บประจุ 16V จึงไม่เหมาะ สำหรับอุปกรณ์ 125°C เนื่องจากอุณหภูมิสูง จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุโพลีเมอร์แทนทาลัม 20V ที่มีอัตราสูงกว่า
• อุปกรณ์ 105°C ที่ใช้โพลีเมอร์แทนทาลัม: ไม่มีการลดค่าเนื่องจากอุณหภูมิที่ 105°C ดังนั้นจะลดค่าลง 20% สำหรับวงจรทั้งหมดเท่านั้น หมายความว่า สามารถใช้ ตัวเก็บประจุโพลีเมอร์แทนทาลัม 16V ได้ โดยใช้แรงดันไฟสูงสุด 12.8V ในช่วงอุณหภูมิทั้งหมด 105°C
• สามารถใช้ตัวเก็บประจุแทนทาลัม MnO2 ได้หรือไม่ ตัวเก็บประจุแทนทาลัม MnO2 ต้องลดระดับลง 50% สำหรับการใช้งานกระแสไฟกระชากที่รุนแรง ดังนั้น จึง ต้องใช้ตัวเก็บประจุ 25V ในการใช้งานนี้ นอกจากนี้ ยังมีการลดระดับลง 33% สำหรับอุปกรณ์ที่อุณหภูมิ 125°C แต่การทำเช่นนี้ไม่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากการลดระดับลง 33% ที่เกิดจากอุณหภูมิถูกครอบคลุมโดยการลดระดับลง 50% ที่เกิดจากข้อจำกัดกระแสไฟกระชาก ตัวเก็บประจุแทนทาลัม MnO2 16V สามารถใช้กับการใช้งานวงจรที่ไม่ไวต่อไฟกระชากอื่นๆ (เอาต์พุตของ DC/DC, การกำหนดเวลา, การเชื่อมต่อ ฯลฯ) ซึ่งสะท้อนถึงกฎการลดระดับลง 20% ที่เกิดจากไฟกระชาก และการลดระดับลงเดียวกันที่เกิดจากอุณหภูมิในตัวเก็บประจุโพลีเมอร์แทนทาลัม