1什么是钽电容
1.1基本介绍
钽是一种略带蓝色的金属，英文名叫TANTALUM，具有2900度以上的熔点（仅次于钨和铼）和6.5的莫氏硬度（钻石是10）以及令人难以置信的耐酸碱性（王水对其都没用），以上特性给钽带来了难以加工的坏名声，不过其极高的介电常数（27，是铝的4倍以上）和烧结后的海绵状态以及超稳定状态却让电子元件生产厂商忍受千难万苦也要把它应用在电容上，最终装备到军用电子设备中。美国的钽电容外壳都用黄色，而日本等则喜欢用黑色，钽电容外壳的颜色和性能无关。
钽电容全称是钽电解电容，Tantalum Electrolytic Capacitor，也属于电解电容的一种，由于使用金属钽做介质，不需要像普通电解电容那样使用电解液，另外，钽电容内部没有电解液，很适合在高温下工作。此外，钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸烧制，所以本身几乎没有电感，但同时也限制了它的容量，比一般的铝电解电容容量小。但并不是说其单位体积内电容量小，相反，由于钽电容都是用五氧化二钽作为电介质，在生产过程中，通过电解工艺，在钽阳极体表面生成一层五氧化二钽膜。这种膜具较高绝缘强度和介电常数，且厚度极小；钽电解电容器正是利用这个特性，使得钽电容器单位体积内所具有的电容量可以做到很大，即比容量非常高，因此特别适宜于小型化。
容值范围：0.1uF～220uF，标准精度为± 20%，也有± 10% 的产品。
额定电压范围：4V～50V，使用温度范围：－55 ℃～＋125 ℃ 。
1.2优点
钽电容是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品，在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。主要有如下优点：
1)体积小，由于钽电容采用了颗粒很细的耐电压不够高电流小价格高钽粉，而且钽氧化膜的介电常数比铝氧化膜的介电常数高，因此，钽电容的单位体积内的电容量大；
2)使用温度范围宽，耐高温；由于钽电容内部没有电解液，很适合在高温下工50摄氏度或100摄氏度的温度下正常工作，虽然铝电解也能在这个范围内工作，但电性能远远不如钽电容；
3)寿命长，绝缘电阻高，漏电流小，钽电容具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能，使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性的优势；
4)容量误差小，温度容量曲线表现好；
5)等效串联电阻小，高频性能好。
1.3缺点
1)耐电压不够高；
2)电流能力弱；
3)容量较铝电解电容小、价格也比铝电解电容贵。
所以，它被应用于大容量滤波的地方，多与陶瓷电容，电解电容配合使用或是应用于电压、电流不大的地方。
2钽电容应用注意事项
为了使钽电解电容器以最稳定的质量充分发挥其性能，必须用适当的方法使用，使用前请先确认钽电容的使用条件和规定的性能，必须遵守规格书上所规定的条件。下面是归纳的在设计电路时需要考虑的几个重要因素。
2.1使用电压
电容器的额定电压（UR）是指在85度温度下施加在电容器上的最高工作电压，若超过额定电压使用，则超过了介质氧化膜的抗电强度，将导致电容性能劣化，严重时甚至导致TA2O5介质氧化膜击穿或失效，所以在电路设计中，一般都采用了降额设计。
另外，从故障原因看，电容器的故障受到使用电压和额定电压的比率影响很大。设计实际电路时，请考虑到所要求的可靠性适当降低电压。
● 使用低阻抗电路时，请将使用电压设定在额定电压的1／3以下，使用其它电路时，如下图所示，请将使用电压设立在额定电压2／3以下。我司BBU中心电源滤波使用钽电容的电压降额标准为30%。
● 大容量钽电容，可用并联小容量钽电容的形式代替：大容值钽电容比小容值钽电容更容易失效。这是因为：钽电容容值增加，则体积增加，耐压值和ESR却降低。所以，较小容值的钽电容具备相对较高的耐压值，也就不容易失效。可见，容值对钽电容失效的影响本质上是耐压值对钽电容失效的影响。
● 钽电容器在电路中，应控制瞬间大电流对电容器的冲击，建议串联电阻以缓解这种冲击。请将3Ω／V以上的保护电阻器串联在电容器上,以限制电流在300mA以下，无法插入保护电阻器时，请使用额定电压的1／3以下的电压。不同串阻对失效率的影响见下表。
2.2反向电压
钽电容器为极性电容器，其介质氧化膜（五氧化二钽）具有单向导电性，当施加反向电压时，就会有很大的电流通过，甚至造成短路或爆炸。
【注释：二氧化锰—是钽电容所使用的阴极材料，二氧化锰是固体，传导方式为电子导电，导电率是电解液离子导电的十倍（0.1S/CM），所以ESR比电解液低。二氧化锰的耐高温特性比较好，能耐的瞬间温度在500度左右。二氧化锰的缺点在于在极性接反的情况下容易产生高温，在高温环境下释放出氧气，同时五氧化二钽介质层发生晶质变化，变脆产生裂缝，氧气沿着裂缝和钽粉混合发生爆炸。】
因此，使用中应严格控制反向电压，并且不可使用于只有交流的电路。
● 若不得已的情况下，允许在短时间内施加小量的反向电压，其值为：
25℃下：≤10％ UR或1V（取小者）
85℃下：≤5％UR或0.5V（取小者）
125℃下：≤ 1%UR 或 0.1V（取小者）
● 如果将电容器长期使用在有反向电路中时，请选用无极性钽电容器，但也只能在极性变换频率不太高的直流或者脉动电路中使用。
● 银外壳非固体电解质钽电容器不能承受任何反向电压。
● 原则上禁止使用万用表电阻档对含有钽电容器的电路或电容器本身进行不分极性的测试。
● 在测量使用过程中，如不慎使钽电容器承受了不应有的反向电压，请将该电容器报废， 即使其各项电参数仍然合格。
下面为一钽电容反向超压爆炸试验图：
2.3纹波电压和瞬时电压
请在电容器规定的容许纹波电压内使用。
● 使用时，直流偏压与交流分压峰值之和不得超过电容器的额定电压值。
● 交流负峰值与直流偏压之和不超过电容器所允许的反向电压值。
● 纹波电流通过钽电容器产生有功功率损耗，进而电容器自身温升导致的热击穿失效概率增大（这也是为什么钽电容不应长期使用于交流分量较大或者交流电路中），因此有必要对通过电容器的纹波电流或电容量允许的功率损耗进行限制。
P有=V*I漏+Irms* Irms*Rs
其中，P有为有功功率，V为直流偏压，I漏为漏电流，Rs为等效串联电阻，Irms为纹波电流。由上式可见，当Rs或者Irms增大时，功率损耗增大。因此，在高频线路中要求通过钽电容的纹波电流小，并选用等效串联电阻小的钽电容。
电路的开或关，都会产生在过渡状态下的瞬时电压，一般其值要大于工作电压，而且产生相应的冲击电流。如果电源和负载的电阻均较小，这样瞬时电流值非常大，容易引起钽电解电容氧化膜的损伤，特别是固体钽电容更为严重。因为固体钽电容更不耐大的冲击电流，容易在氧化膜的薄弱区域发热促使氧化膜晶化提早发生，并降低耐压能力，所以为提高寿命，钽电容应避免发生频繁的充电和放电。
2.4使用环境温度
环境温度会对电容的电压，容值等产生影响，请在电容器的规定使用温度范围内使用。
1、当环境温度不大于85度时，降额的基准为额定电压；当环境温度超过＋85℃时,请以降额电压作为使用电压，示例如下图。推荐做法是：在使用低阻抗电路时，请将使用电压设定在额定电压的1／3以下，使用其它电路时，如下图所示，请将使用电压设立在额定电压2／3以下。
2、温度特性是钽电容器的主要电气特性之一，所以当使用温度变化显著时，请在其使用温度的上、下限确认电路特性，下图为代表例。
2.5频率特性
频率在大于10KHz区域，钽电容器的电气特性变化显著，所以在使用高频电路上时，请确认电路特性，下图所示为代表例。
2.6可靠性
钽电容的失效率根据其使用条件（环境温度、施加电压、电路电阻、使用电路等）的不同而不同，所以请在充分研讨使用条件后，选择适当产品。
● 一般设计电容器时，以在＋85℃下连续施加额定电压1000小时的失效率为基准，在实际电路中往往存在防止电压或电流的峰值冲击及纹波电流或其它意外电冲击的问题，所以实际使用中的降额设计是必要的。
● 使用于重视安全性设备时，为防止在使用中发生短路，开路等现象。因此，设计时请充分注意下列几点，确保安全性。
a.设计保护电路，保护装置，系统使用，确保安全。
b.设计冗余电路等，使之成为一个即使发生单一故障时，也不导致整个设备故障的系统。
推荐文档：《片状钽电容失效分析》，对钽电容的失效原因进行了归纳，见下附件。
3高分子钽电容与普通钽电容的选择
电源平台的同事曾谈到滤波电路中电容可用高分子钽电来代替普通钽电，这里简要分析下可行性。
3.1高分子钽电容和普通钽电容构造区别
一般而言，电解电容器以金属氧化膜作为介质，以金属和电解质作为电容的两极，金属为阳极，电解质为阴极。钽电容也不例外。
下面我们先了解一下高分子钽电及普通钽电容内部的构造， 见后文图示。其结构可简要概括如下：
Ø阳极：金属：钽烧结体
Ø介质：五氧化二钽氧化膜
Ø阴极：电解质，分三层，依次为：导电性高分子/二氧化锰、石墨、银
Ø树脂封装
我们可以发现高分子钽电容与普通钽电容的区别就在于阴极电解质的第一层分别为高分子聚合物及二氧化锰。
高分子钽电容构造
普通钽电容构造
3.2高分子钽电容优点
高分子钽电容是一种正极采用钽烧结体或铝箔，负极采用具有高导电性的高分子材料的电容器，其与普通钽电解电容最大的不同是电解质采用了导电性高分子材料。其正极采用钽烧结体充分发挥钽的高介电系数特性。不但实现了小型电容器的大容量化，同时负极采用导电性高分子材料实现了更低的ESR及可靠性方面的改善。高分子钽电容的额定电压2.5V-25V，容量2.2μF -1000μF，ESR最低达5mΩ。
高分子钽电容与普通钽电容具有优越的电气性能，主要表现为：
1、高安全性
由于电解质不含氧原子，发生短路时与使用二氧化锰电解质的电容器相比高分子钽电容不易燃烧，具有更高的安全性。
2、低ESR 和低阻抗
高分子钽电容的高导电性实现了低ESR和低阻抗，与同等容量的其它电容器相比阻抗为1/3~1/10。
3、较低的额定电压降额
推荐使用电压为额定电压10V以下的产品，电压降低10%、额定电压10V以上的产品，电压降低20%，而普通钽电解电容器的电压降低高达1/3～2/3。我司的降额标准更严格，高分子钽电容电压降额标准为70%，普通钽电容电压降额标准根据阻抗不同取70%～30%。
4、更好的频率特性
见下图，Polymer表示高分子聚合体钽电容频率-容量曲线，MnO2标示二氧化锰普通钽电容频率-容量曲线。
5、卓越的自愈能力
导电性高分子材料的有机物与二氧化锰无机物相比，在较低的300℃高温下就会出现热分解及绝缘化。因此，在短路的前兆阶段，即电流流过正极表面氧化绝缘层产生的焦耳热，会在氧化层微小的绝缘不充分部位形成导电性高分子绝缘层，阻碍电流通过来达到自愈修复效果。卓越的自愈能力降低了短路因素，实现了在过冲击电流下的更高可靠性。
3.3公司降额标准比较
见下表。
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电容类型 |
降额参数 |
降额系数 |
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固体钽电解电容（MnO2型钽电容，或铌电容） |
直流工作电压4) |
源阻抗或等效阻抗≥3Ω/V |
0.7 |
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源阻抗或等效阻抗=0.1～3Ω/V |
0.5 |
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源阻抗或等效阻抗≤0.1Ω/V |
0.3 |
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浪涌电压 |
0.70（当温度高于85℃时，降额系数取0.5） |
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纹波电流1) |
0.60（当温度高于85℃时，降额系数取0.5） |
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浪涌电流5) |
0.60（当温度高于85℃时，降额系数取0.5） |
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环境温度 |
TAM2)－10（温度不得高于85℃） |
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|
高分子钽电解电容（用导电性聚合物做阴极材料的钽电解电容） |
直流工作电压 |
0.7 |
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浪涌电压 |
0.70（当温度高于85℃时，降额系数取0.5） |
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|
浪涌电压 |
0.80（当温度高于85℃时，降额系数取0.5） |
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纹波电流1) |
0.80（当温度高于85℃时，降额系数取0.5） |
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环境温度 |
TAM2)－10（温度不得高于85℃） |
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注： |
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1） 纹波电流应参考在最高环境温度下电容的允许纹波电流进行降额； |
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2） 最高额定环境温度TAM由元件相关详细规范确定，例如铝电解电容常见的TAM有85℃、105℃、125℃三种，普通钽电容多为125℃，高分子型钽电容多为105℃。 |
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3） 交流电源PFC输出电容在电源业界多使用450VDC耐压值器件，通信设备同行中定制电源中此类器件选择相同。 |
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4） 在电源滤波电路中，应通过控制钽电容两端电压变化速度来控制等效源阻抗。另在温度超过85℃后线性下降，在125℃时降额到85℃时的2/3。 |
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5） 钽电容允许的浪涌电流参见厂家手册，如无对应数据，可以参照纹波电流。 |
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6） 在超过85ºC的高温下，需要增加额定电压0.25V/ºC的降额。 |
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3.4结论
用什么钽电容重要的是取决于产品本身的要求，在温度要求，寿命要求，可靠度要求，纹波要求较高的场合选用高分子钽电容，在要求低的场合则选用用普通钽电容。
4名词解释
4.1晶化
