Hầu hết các công nghệ tụ điện sơ cấp đều yêu cầu giảm thiểu một số điều kiện vận hành tại các góc của tụ điện. Tuy nhiên, lý do vật lý cho việc này có thể khác nhau tùy theo từng công nghệ tụ điện, chẳng hạn như độ tin cậy, tính ổn định của các thông số điện sơ cấp hoặc khả năng bảo vệ chống lại dòng điện đột biến quá mức.…

Có hai thông số giảm công suất phổ biến nhất: điện áp (có thể bao gồm các giới hạn dòng điện ẩn) và nhiệt độ. Các hệ số giảm công suất thường có mối quan hệ logic "hoặc", "tùy theo giá trị nào lớn hơn". Vì vậy, nếu quy tắc giảm công suất điện áp là 20%, và do nhiệt độ, bạn cũng cần giảm công suất 30%, thì điều kiện "tùy theo giá trị nào lớn hơn" sẽ được áp dụng. Điều này có nghĩa là việc giảm công suất 30% bao gồm cả yêu cầu giảm công suất điện áp và nhiệt độ.

Ví dụ về biểu đồ sụt áp tụ điện:

Khái niệm và hạ cấp danh mục

Khuyến nghị về độ sụt áp có nghĩa là tụ điện thực tế nên được sử dụng trong một ứng dụng ở điện áp thấp hơn điện áp định mức của nó. Độ sụt áp được biểu thị bằng phần trăm điện áp định mức cần được trừ đi. Ví dụ: độ sụt áp 20% có nghĩa là tụ điện ở 80% điện áp định mức của nó nên được sử dụng cho ứng dụng cụ thể đó (tụ điện 10V phải được sử dụng với điện áp tối đa là 8V).

Mục đích của việc hạ áp là giảm số lượng hệ số tải trên tụ điện. Hai hệ số tải chính là điện áp và nhiệt độ.

Theo phương trình, hàm lượng năng lượng của C1-20 phụ thuộc vào bình phương điện áp. Do đó, việc giảm điện áp (hạ áp) có tác động đáng kể đến tổng công suất tiêu tán qua tụ điện. Nguyên nhân gây ra việc hạ áp có thể khác nhau tùy thuộc vào công nghệ, cấu tạo và ứng dụng của tụ điện. Sau đây là những nguyên nhân phổ biến chính gây ra việc hạ áp. Tuy nhiên, bạn nên tham khảo hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất tụ điện.

• Khái niệm về giảm nhiệt độ vận hành cao (“giảm nhiệt độ”) và danh mục

Tụ điện được thiết kế cho điện áp DC không sinh nhiệt bên trong, vì vậy chúng thường được sử dụng ở điện áp thấp đến và bao gồm điện áp loại trên, trong đó đặc tính nhiệt độ của vật liệu quyết định giới hạn, xảy ra ở nhiệt độ loại trên TUC, hay còn gọi là nhiệt độ hoạt động tối đa. Kết nối được thể hiện trong Hình 2 bên dưới. Đường cong giảm định mức thay đổi được thể hiện trong MIL-HDBK-1547.

LƯU Ý: Sự suy giảm do nhiệt độ hoạt động cao (xem bên dưới) đôi khi được gọi là "suy giảm nhiệt độ", nhưng điều này có thể gây nhầm lẫn. Cơ chế suy giảm thường được tăng tốc bởi cả yếu tố nhiệt độ và điện áp, chỉ khác nhau về hệ số căn và các hiệu ứng chính. Do đó, thuật ngữ "suy giảm nhiệt độ" nên được hiểu là "Giới hạn hoạt động của tụ điện ở nhiệt độ dưới một giá trị nhất định do cơ chế suy giảm vật lý chủ yếu do nhiệt độ gây ra". Nói cách khác, chúng ta cần suy giảm điện áp để hạn chế tổng mức tiêu thụ năng lượng của tụ điện, nhưng trong một số trường hợp, quá trình suy giảm còn được tăng tốc hơn nữa bởi các yếu tố nhiệt độ (và chúng ta muốn hạn chế điều này bằng cách giới hạn nhiệt độ tiếp xúc tối đa, hay còn gọi là "suy giảm nhiệt độ").

• Giới hạn tải dòng điện đột biến

Một số tụ điện, chẳng hạn như tụ điện tantali rắn, có thể có giới hạn về dòng điện xung tối đa cho phép. Dòng điện xung quá mức có thể gây ra hư hỏng do nhiệt trong một số trường hợp, và thậm chí tử vong. Một cách tiếp cận thực tế để tăng khả năng chịu dòng điện xung là sử dụng tụ điện có điện áp cao hơn, nói cách khác là giảm công suất của điện áp cao hơn. Khuyến nghị về việc giảm công suất có thể phụ thuộc vào chức năng mạch, ứng dụng hoặc công nghệ tụ điện cụ thể.

Ví dụ, đối với tụ điện tantali rắn, các quy tắc cơ bản như sau:

Tụ điện Tantalum MnO2: Giảm 50% trong các ứng dụng tăng đột biến dòng điện cao (ví dụ: đầu vào của bộ chuyển đổi DC/DC hoặc trực tiếp trên pin), giảm 20% cho các ứng dụng khác (kết nối, thời gian, đầu ra DC/DC).

Tụ điện polymer Tantalum: 10% cho toàn bộ mạch đối với tụ điện <= 10V, 20% cho toàn bộ mạch đối với tụ điện >10V.

Hướng dẫn giảm nhiệt độ thường được chỉ định ở mức 105°C (giảm nhiệt độ), có thể cần giảm thêm tới 125°C.

• Cải thiện độ tin cậy

Điện áp là một trong những tác nhân gây hỏng hóc mạnh nhất, do đó việc giảm điện áp có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy của linh kiện.

Ví dụ, tuổi thọ của tụ điện phân nhôm hoặc tụ điện màng phụ thuộc vào điện áp được áp dụng và giảm điện áp là cách hiệu quả nhất để tăng tuổi thọ và giảm MTBF.

• Độ ổn định thông số điện của tụ điện (tụ điện MLCC)

Điện áp có thể đóng vai trò quan trọng trong việc ức chế nhiều cơ chế khác nhau. Các vật liệu ferrodielectric kali cao, chẳng hạn như BaTiO3, được sử dụng trong tụ điện MLCC loại II, cho thấy điện dung của chúng phụ thuộc mạnh vào cả điện áp AC và DC (hiệu ứng điện áp phân cực DC). Điện áp đặt vào cũng là một điều kiện cho hiệu ứng áp điện, có thể gây ra nhiễu có hại từ tụ điện MLCC loại II.

Việc giảm điện áp có thể ngăn chặn đáng kể những hiện tượng này và cải thiện hiệu suất của tụ điện MLCC loại II.

Nhân lên các yêu cầu giảm tỷ lệ

Các yêu cầu về độ sụt điện áp khác nhau thường theo logic "HOẶC" "tùy theo giá trị nào lớn hơn", nghĩa là chỉ áp dụng nguyên tắc độ sụt điện áp lớn nhất.

Ví dụ: Đầu vào 12V của bộ chuyển đổi DC/DC (ứng dụng tải dòng điện tăng đột biến cao), nhiệt độ hoạt động tối đa của thiết bị đầu cuối: 125°C và 105°C, chúng ta có thể sử dụng tụ điện polymer tantali 16V hoặc tụ điện MnO2 tantali không?

• Thiết bị 125°C sử dụng polyme tantali: Khuyến nghị giảm điện áp 20% cho tụ điện tantali polyme 16V trong mọi ứng dụng, và yêu cầu giảm điện áp 33% ở 125°C (không giảm điện áp đến 105°C). Có thể áp dụng tối đa 10,7V cho tụ điện trong toàn bộ dải nhiệt độ hoạt động lên đến 125°C (mức giảm điện áp 20% được bao gồm trong mức giảm điện áp 33%). Do đó, tụ điện 16V không phù hợp với các thiết bị 125°C do nhiệt độ cao. Cần sử dụng tụ điện tantali polyme 20V có định mức cao hơn.
• Thiết bị 105°C sử dụng polyme tantali: Không có sự suy giảm nhiệt độ ở 105°C, do đó chỉ có 20% suy giảm trên toàn bộ mạch. Điều này có nghĩa là tụ điện polyme tantali 16V có thể được sử dụng với điện áp tối đa 12,8V trên toàn bộ dải nhiệt độ 105°C.
• Có thể sử dụng tụ điện tantali MnO2 không? Tụ điện tantali MnO2 yêu cầu giảm định mức 50% cho các ứng dụng chịu dòng điện xung đột mạnh, do đó cần tụ điện 25V cho ứng dụng này. Cũng có thể giảm định mức 33% cho các thiết bị ở 125°C, nhưng điều này không hiệu quả, vì mức giảm định mức 33% do nhiệt độ được bù đắp bởi mức giảm định mức 50% do giới hạn dòng điện xung đột. Tụ điện tantali MnO2 16V có thể được sử dụng trong các ứng dụng mạch không nhạy cảm với xung đột khác (đầu ra DC/DC, định thời, ghép nối, v.v.), phản ánh mức giảm định mức 20% do dòng điện xung đột, và mức giảm định mức tương tự do nhiệt độ trong tụ điện polyme tantali.