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本文旨在幫助設(shè)計(jì)師理解如何從電解電容器中獲得更多年的有效使用壽命。我們不會(huì)深入比較各種組件的電解電容器壽命值。底線是，一分錢一分貨，不管喜不喜歡，電解電容器在許多設(shè)計(jì)中都是必需的。

 

什么導(dǎo)致電解電容器失??？

 

導(dǎo)致電解電容器退化和失敗的主要機(jī)制是隨時(shí)間緩慢蒸發(fā)的電解液，當(dāng)然，高溫下這個(gè)問題會(huì)更嚴(yán)重。這導(dǎo)致電容量降低和有效串聯(lián)電阻（ESR）增高。這是一個(gè)惡性循環(huán)，因?yàn)殡S著ESR的升高，由于紋波電流產(chǎn)生的任何自我加熱效應(yīng)也會(huì)增加。這可能導(dǎo)致顯著的局部溫度升高，進(jìn)一步加速問題。過去，這促使一些公司實(shí)施計(jì)劃性維護(hù)規(guī)則，特別是在系統(tǒng)用于關(guān)鍵應(yīng)用時(shí)，每隔幾年就用合適的替代組件更換電解電容器。

 

電容器規(guī)格

 

經(jīng)常會(huì)看到一個(gè)電解電容器會(huì)有一個(gè)壽命數(shù)字，比如5000小時(shí)。我們將使用TDK（之前的EPCOS）數(shù)據(jù)表作為如何解釋這些信息的例子。這個(gè)數(shù)據(jù)表是針對(duì)B41888電容器的，這是我在預(yù)期壽命較長(zhǎng)的相當(dāng)關(guān)鍵的產(chǎn)品中使用過的一個(gè)。數(shù)據(jù)表摘要如下：

 

 

我已經(jīng)用紅色標(biāo)出了相關(guān)區(qū)域。它告訴你一個(gè)直徑為8毫米的電容器可以提供5000小時(shí)的有效壽命。這只相當(dāng)于208天的壽命，乍一看，這是一個(gè)非常低的值。然而，這個(gè)數(shù)字是基于105°C的工作溫度。如果工作溫度低10°C，在95°C時(shí)，壽命將翻倍。每下降10°C，壽命就會(huì)翻倍。所以，如果某個(gè)特定電路中的電容器的運(yùn)行環(huán)境溫度保持在55°C以下，可以使用以下公式來計(jì)算實(shí)際壽命：

 

實(shí)際有效壽命 = [在105°C下的壽命] ?2x

 

其中“x”是(105°C - TACTUAL)除以10。在55°C的溫度下，“x”= 5，因此有用的壽命從105°C下的5000小時(shí)延長(zhǎng)到55°C下的32 x 5000小時(shí)。那現(xiàn)在是18年，實(shí)用得多。

 

電容器的“有效壽命”是什么意思？

 

關(guān)于上述數(shù)據(jù)表，右手邊的高亮列告訴你，電容量可能會(huì)從其原始值降低到可能低至40%的值，這是在組件的有效壽命內(nèi)。因此，如果你為你的設(shè)計(jì)選擇了一個(gè)1000μF的電容器，基于數(shù)據(jù)表中指定的設(shè)備20%的公差，你可以期望其最低初始值為800μF。因此，在其“有效壽命”結(jié)束時(shí)，最壞的情況是它可能已經(jīng)降到了這800μF初始值的60%，即僅480μF。作為設(shè)計(jì)師，只有你能說這是否能為你的產(chǎn)品提供足夠的壽命末期性能。作為設(shè)計(jì)師，考慮這種退化因素至關(guān)重要。

 

耗散因子

 

對(duì)于B41888設(shè)備，數(shù)據(jù)表告訴我們“tan”可能在壽命期間增加三倍。Tan是耗散因子或ESR與電容性反應(yīng)的比率，不應(yīng)與損耗正切混淆。作為參考，它也是Q因數(shù)的倒數(shù)。對(duì)于額定電壓為35伏的B41888設(shè)備，tan在120 Hz時(shí)列為0.12。1000μF的電容器在120 Hz時(shí)的反應(yīng)為1.326Ω，這意味著ESR為0.159Ω。

 

這是對(duì)于正好1000μF的電容器的數(shù)據(jù)，但我們已經(jīng)看到，對(duì)于處于初始公差范圍低端的電容器（即800μF），ESR可能高達(dá)0.199Ω。在其壽命末期，我們已經(jīng)看到電容量可能只有480μF，因此可以推斷ESR可能上升到0.332Ω。最后，因?yàn)閠an可以在壽命期間退化三倍，ESR可能最終增加到0.995Ω。

 

你的設(shè)計(jì)開始時(shí)使用的是名義上1000μF（ESR為0.159Ω）的電容器，現(xiàn)在你可能最終得到的是480μF且ESR約為1Ω的電容器。你的設(shè)計(jì)能夠應(yīng)對(duì)這種情況嗎？這將如何影響性能？提示 - 在這種情況下，仿真工具是你的盟友；使用它們來看看效果。

 

影響電解電容壽命的其他因素

 

紋波電流

 

B41888的壽命數(shù)據(jù)假設(shè)其在滿紋波電流下操作。然而，你也會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到這個(gè)適用于直徑為8毫米的電容器的有用圖表：

 

 

如果你選擇在額定紋波電流的50%（Y軸上的0.5）下操作，這相當(dāng)于在比局部環(huán)境溫度低3°C的條件下運(yùn)行。這意味著有23%的潛在壽命增加，有時(shí)，每一點(diǎn)額外的增加都很重要。如果你需要在紋波電流上進(jìn)行突破，你也可以從這張圖表中獲取所需的信息。例如，如果你在65°C下將組件運(yùn)行在名義額定紋波電流的150%，你仍然可以獲得100,000小時(shí)的有效壽命，就像在71°C下以半額定紋波電流操作時(shí)一樣。重要的是要注意，圖表中的加深部分是一個(gè)禁區(qū)，如果你不想損壞組件的話。

 

電容器工作電壓

 

當(dāng)工作電壓低于最大額定電壓時(shí)，你可以獲得相當(dāng)不錯(cuò)的壽命增加。最保守的估計(jì)是，當(dāng)組件以額定電壓的50%運(yùn)行時(shí)，壽命會(huì)翻倍。當(dāng)然，隨著工作電壓接近最大額定電壓，增加的比例會(huì)相應(yīng)減小。見過不那么保守的估計(jì)，但在缺乏制造商信息中的任何數(shù)據(jù)表明其他情況的情況下，我建議你堅(jiān)持這種線性關(guān)系，不要期望壽命增加超過翻倍。

 

閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)

 

數(shù)據(jù)手冊(cè)中有很多方便的信息。例如，對(duì)于我們這里關(guān)注的B41888電容器，數(shù)據(jù)手冊(cè)摘錄表明，雖然直徑為8毫米的設(shè)備壽命為5,000小時(shí)，但直徑為12.5毫米（或更大）的設(shè)備壽命是其兩倍，為10,000小時(shí)。如果你的目標(biāo)電容值允許選擇直徑，并且你的板上有空間，選擇更大的部件以提高壽命將是有益的。例如，如果你選擇了一個(gè)100μF、35伏的組件，并打算在30伏下運(yùn)行，那么選擇額定電壓為63伏的部件將會(huì)帶來良好的壽命益處。

 

35伏的部件直徑為8毫米，而63伏的部件為10毫米。然而，10毫米的部件壽命為7,000小時(shí)，僅通過以額定電壓的48%運(yùn)行就可以增加到14,000小時(shí)。8毫米的部件壽命為5,000小時(shí)，如果在30伏下操作，壽命只會(huì)增加到5,833小時(shí)。因此，相對(duì)較小的2毫米直徑增加可以帶來顯著的壽命增加。

 

另一個(gè)需要考慮的是紋波頻率與電流額定值之間的關(guān)系。例如，如果您的設(shè)計(jì)需要一個(gè)1000 μF、35伏的元件，數(shù)據(jù)表將告知它在105°C時(shí)的額定紋波電流為2.459安培，但這是在指定的100 kHz下。因此，如果應(yīng)用程序以較低的頻率運(yùn)行，必須使用下面的圖表來確定效果：

 

 

在低頻率下，例如120 Hz，額定紋波電流僅為100 kHz時(shí)值的65%。這意味著，對(duì)于120 Hz應(yīng)用中的正確壽命評(píng)估，您受限于更有限的額定紋波電流，僅為1.598安培。

 

電容器故障率

 

不要將電解電容器性能隨預(yù)期壽命逐漸降低誤認(rèn)為與故障率或MTBF有關(guān)。任何電子元件的突然和意外故障與元件可能的“老化”不同。當(dāng)然，如果您設(shè)計(jì)的電路因電解電容器的老化而停止工作，從用戶的角度來看，那是一次設(shè)備故障。然而，設(shè)計(jì)師的失敗不在于識(shí)別元件性能隨時(shí)間自然降低。換句話說，這是一次設(shè)計(jì)失敗，而不是元件故障。

 

電解電容器的MTBF以百萬(wàn)小時(shí)計(jì)。盡管這可能會(huì)因其儲(chǔ)存的能量量和其環(huán)境工作溫度而降低，但與元件的實(shí)際可用壽命相比，這仍然相去甚遠(yuǎn)。

 

為什么要使用電解電容器？

 

如果電解電容器有這樣的問題，為什么它們還如此廣泛使用？有幾個(gè)原因，但主要是因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁╇娫丛O(shè)計(jì)通常需要的高電壓額定值和高電容量。由于電解質(zhì)中的化學(xué)成分，沒有其他元件類型能提供相同的高電容量和高電壓組合。使用其他元件，要么部件變得物理上非常巨大，要么需要并聯(lián)大量部件。

 

在過去的一個(gè)項(xiàng)目中，我需要使用20個(gè)并聯(lián)的電解電容器（3,300 μF，35伏）在最近的設(shè)計(jì)中創(chuàng)建一個(gè)重要的能量存儲(chǔ)設(shè)備。我之所以提及這一點(diǎn)，是因?yàn)樗鼘椭斫鈮勖蚆TBF之間的區(qū)別。電路接收到低mA的充電電流，但受到以安培計(jì)的間歇性負(fù)載電流脈沖的影響。

 

就整個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備的壽命而言，我完全預(yù)期并聯(lián)組件會(huì)隨時(shí)間同等降解。換句話說，所有20個(gè)組件的壽命預(yù)計(jì)與單個(gè)設(shè)備的壽命相同。然而，對(duì)于平均無故障時(shí)間（MTBF），單個(gè)設(shè)備的值需要除以20，因?yàn)檫@些組件是并聯(lián)的，任何一個(gè)組件的短路都可能導(dǎo)致設(shè)備的故障。