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技術(shù)專題
什么會影響電解電容器的使用壽命？
什么會影響電解電容器的使用壽命？
如果與一群設(shè)計(jì)工程師交談，您可能會很快形成一種觀點(diǎn)，認(rèn)為電解電容器具有特別可疑的聲譽(yù)。在新千年的頭幾年發(fā)生的所謂“電容器災(zāi)難”當(dāng)然并沒有幫助這種觀點(diǎn)。這些類型的電容器中使用的電解質(zhì)混合物有缺陷，會導(dǎo)致設(shè)備過早失效，而且經(jīng)常會在焊接它們的PCB上產(chǎn)生“一團(tuán)糟”。由于使用某些品牌的“受災(zāi)”電容器的商品的引人注目的性質(zhì)，這成為了一個重大新聞。
但是，盡管存在電容器災(zāi)難的問題，但本文還是致力于幫助設(shè)計(jì)人員了解如何獲得更多年的使用價(jià)值。電解電容器的使用壽命。我們不會比較各種組件的電解電容器壽命值。最重要的是，您能得到所需要的，而無論您是否喜歡，電解電容器在許多設(shè)計(jì)中都是必不可少的。
什么原因?qū)е码娊怆娙萜鞴收希?span>
導(dǎo)致電解電容器退化和故障的主要機(jī)理是電解液隨時間的緩慢蒸發(fā)，當(dāng)然，在較高溫度下這種情況會變得更糟。這導(dǎo)致較低的電容和較高的有效串聯(lián)電阻（ESR）。這是一個惡性循環(huán)，因?yàn)殡S著ESR的上升，由于紋波電流引起的任何自熱效應(yīng)也會上升。然后，這可能導(dǎo)致明顯的局部溫度升高，從而進(jìn)一步加劇該問題。過去，這已經(jīng)影響了一些公司實(shí)施計(jì)劃內(nèi)維護(hù)的規(guī)則，該規(guī)則要求每隔幾年更換一次電解電容器，并更換合適的更換組件，尤其是在關(guān)鍵應(yīng)用中使用該系統(tǒng)時。
電容器規(guī)格
您通常會看到電解電容器的壽命數(shù)字如5000小時。我們將使用TDK（以前為EPCOS）數(shù)據(jù)表作為如何解釋此信息的示例。本數(shù)據(jù)表適用于B41888電容器，這是我在預(yù)期壽命很長的相當(dāng)關(guān)鍵的產(chǎn)品中使用的電容器。數(shù)據(jù)表摘要如下：
我用紅色突出顯示了相關(guān)區(qū)域。它告訴您，直徑為8毫米的電容器將提供5000小時的使用壽命。生命只有208天，從表面上看，這是一個非常低的價(jià)值。但是，該數(shù)字適用于105°C的工作溫度。如果工作溫度比95°C低10°C，則使用壽命將增加一倍。溫度每低于105°C，溫度每降低10°C，溫度將翻一番。因此，如果將特定電路中電容器的運(yùn)行環(huán)境溫度維持在55°C以下，則可以使用以下公式計(jì)算實(shí)際壽命：
實(shí)際使用壽命= [105°C時的使用壽命]?2x
其中“ x”是（105°C-T ACTUAL）除以10。在55°C時，“ x” = 5，因此有效壽命從105°C的5,000小時延長到55°C的32 x 5000小時℃。到現(xiàn)在已經(jīng)18年了，更加實(shí)用了。
“有效壽命”是什么意思？
關(guān)于上面的數(shù)據(jù)表，右側(cè)突出顯示的列通知您，電容可能會從其原始值下降到一個值，該值可能會在該組件的使用壽命內(nèi)降低多達(dá)40％。因此，如果您在設(shè)計(jì)中選擇一個1000μF電容器，則根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的器件20％容差，可以預(yù)期其最低初始值為800μF。因此，在其“可用壽命”結(jié)束時，最壞的情況是它可能已降至該800μF初始值（僅為480μF）的60％。作為設(shè)計(jì)師，只有您可以說這是否將為您的產(chǎn)品提供足夠的使用壽命。至關(guān)重要的是，作為設(shè)計(jì)師，您必須考慮此降級因素。
耗散因數(shù)
對于B41888器件，數(shù)據(jù)表告訴我們，“棕褐色”在整個使用壽命中可能會增加三倍。Tan是耗散因數(shù)，或者是ESR與電容電抗之比，不應(yīng)將其與損耗角正切相混淆。作為參考，它也是Q因子的倒數(shù)。對于額定值為35伏的B41888器件，tan在120 Hz時列出為0.12。1000μF電容器在120 Hz時的電抗為1.326Ω，這意味著ESR為0.159Ω。
這就是正好為1000μF的電容器的數(shù)字，但是我們已經(jīng)看到，位于初始容差范圍的低端（即800μF）的電容器可能高達(dá)0.199Ω。在使用壽命結(jié)束時，我們已經(jīng)看到電容可能僅為480 F，因此，ESR可能會上升至0.332Ω。最后，由于棕褐色在整個使用壽命中會降低三倍，因此ESR可能會增加至0.995Ω。
您的設(shè)計(jì)始于標(biāo)稱值為1000μF（ESR為0.159Ω）的電容器，現(xiàn)在可以得到480μF且ESR約為1Ω的電容器。您的設(shè)計(jì)是否可以應(yīng)對？它將如何影響性能？提示-在這種情況下，仿真工具是您的盟友；用它們來觀察效果。
影響電解電容器壽命的其他因素
紋波電流
B41888的壽命圖假定其在全紋波電流下工作。但是，您也可以在數(shù)據(jù)表中找到此有用的圖表，該圖表適用于直徑為8 mm的電容器：
如果您選擇在額定紋波電流的50％（Y軸上為0.5）下運(yùn)行，則相當(dāng)于在本地環(huán)境溫度低3°C的條件下運(yùn)行。使用壽命可能增加23％，有時，每增加一點(diǎn)點(diǎn)就可以計(jì)數(shù)。如果您需要在紋波電流上施加包絡(luò)，您還可以從該圖中獲得所需的信息。例如，如果您在65°C的額定額定紋波電流下以50％的頻率運(yùn)行組件，則仍將達(dá)到100,000小時的使用壽命，這是在71°C的額定紋波電流的一半下運(yùn)行時的使用壽命。重要的是要注意，如果您不想損壞組件，則圖形的變暗部分是禁止通過的區(qū)域。
工作電壓
當(dāng)工作電壓低于最大額定電壓時，可以延長使用壽命。最保守的估計(jì)是，當(dāng)組件在額定電壓的50％下工作時，壽命會增加一倍。當(dāng)然，當(dāng)工作電壓接近最大額定電壓時，它會成比例地變小。我看到的保守估計(jì)較少，但是，如果制造商的信息中沒有任何數(shù)據(jù)可以提供其他建議，我建議您堅(jiān)持這種線性關(guān)系，并且不要指望壽命會再增加一倍，而不會進(jìn)一步改善。
閱讀數(shù)據(jù)表
例如，對于我們在此重點(diǎn)介紹的B41888電容器，數(shù)據(jù)表摘錄顯示，盡管直徑為8毫米的設(shè)備的使用壽命為5,000小時，但直徑為12.5毫米（或更大）的設(shè)備在10,000小時的壽命是其兩倍。如果您的電容目標(biāo)值允許選擇直徑，并且板上有空間，那么選擇較大的零件以提高使用壽命將是有益的。例如，如果您選擇了一個100μF，35伏的組件，該組件打算在30伏的電壓下運(yùn)行，那么通過選擇63伏的額定部分，您將獲得良好的使用壽命。
35伏部分的直徑為8毫米，而63伏部分的直徑為10毫米。但是，該10毫米部件的使用壽命為7,000小時，僅以48％的額定電壓運(yùn)行就可以翻倍至14,000小時。8毫米部件的使用壽命為5,000小時，如果在30伏特下工作，則只能增加到5833小時。因此，相對較小的直徑增加2毫米，可以顯著延長使用壽命。
另一個需要考慮的因素是紋波頻率和紋波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1000μF，35伏的組件，則數(shù)據(jù)手冊將告訴您它在105°C時具有2.459 amps的額定紋波電流，但這是在指定的100 kHz下產(chǎn)生的。因此，如果應(yīng)用程序以較低的頻率運(yùn)行，則必須使用下圖確定效果：
在低頻（例如120 Hz）下，額定紋波電流僅為100 kHz時的值的65％。這意味著，為了在120 Hz應(yīng)用中進(jìn)行正確的壽命評估，您只能使用額定值更高的僅1.598安培的紋波電流。
失敗率
不要將電解電容器的性能在其預(yù)期的使用壽命內(nèi)逐漸降低視為與故障率或MTBF有關(guān)。任何電子組件的突然和意外故障都與組件可能“老化”的方式不同。當(dāng)然，如果您設(shè)計(jì)的電路由于電解電容器的老化而停止工作，那么從用戶的角度來看，這肯定是設(shè)備故障。但是，設(shè)計(jì)人員的失敗并不是無法識別組件的性能隨時間自然下降的情況。換句話說，這是設(shè)計(jì)失敗，而不是組件失敗。
電解電容器的MTBF將以百萬小時為單位進(jìn)行測量。盡管這可以通過存儲的能量和環(huán)境工作溫度來降低，但仍遠(yuǎn)未達(dá)到組件的低得多的使用壽命。
為什么要完全使用電解電容器？
如果電解質(zhì)有這樣的問題，為什么要廣泛使用呢？有多種原因，但其中最主要的是電源設(shè)計(jì)通常需要的具有高電容的高額定電壓的能力。由于電解中的化學(xué)成分，沒有其他組件類型可以為您提供高電容和高電壓的相同組合。對于其他組件，零件要么在物理上變得很大，要么需要并行放置大量零件。
在過去的一個項(xiàng)目中，我需要使用20個并聯(lián)的電解電容器（3,300μF，35伏）在最近的設(shè)計(jì)中創(chuàng)建一個重要的儲能設(shè)備。我之所以提及這一點(diǎn)，是因?yàn)樗梢詭椭私鈮勖?span>MTBF之間的區(qū)別。電路接收到低mA的充電電流，但會受到零星的負(fù)載電流脈沖（以安培為單位）的測量。
關(guān)于整個存儲設(shè)備的使用壽命，我完全希望并行組件隨時間推移平均退化。換句話說，所有20個組件的壽命預(yù)計(jì)將與單個設(shè)備的壽命相同。但是，對于MTBF，單個設(shè)備的值將需要除以20，因?yàn)榻M件是并聯(lián)的，并且20個組件中的任何一個都可能無法短路，這將導(dǎo)致設(shè)備故障。
在哪里找到可靠的零件
我們在本文開頭提到的電容器瘟疫問題被認(rèn)為是“適當(dāng)?shù)墓收?span>”（即與故障率有關(guān)），并且與使用壽命內(nèi)的組件磨損不同。滴水的水龍頭是否會導(dǎo)致浴室故障？答案顯然是“不”，通常只是正常的磨損而已，這是可以預(yù)期的。