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铝电解电容器的性能及应用技术报告 -亚美8

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发表时间:2020-10-09 14:41作者:佚名

摘要:

本文先简述电解电容的基本内容,然后介绍铝电解电容的重要参数,指出影响铝电解电容寿命的主要参数有哪些,并列出铝电解电容的寿命计算公式。最后得出结论,在综合各种因素,选定一个电解电容之后,我们要提高它的工作寿命,就要减小电路的叠加纹波电流,具体实现过程要进一步学习和研究。


一、电解电容的基本内容和现状

电解电容的重要性可以用一句话可以体现,“电容可以说是电子元器件中最重要和不可取代的元件,而电解电容在整个电容产业中占据了半壁江山。”

目前常用的电解电容为铝电解电容和钽电解电容

铝电解电容。不管是smt贴片工艺的,还是直插式的,或者有塑料表皮的,只要它们的阳极材质是铝,那么他们就都叫做铝电解电容。电容的封装方式和电容的品质本身并无直接联系,电容的性能只取决于具体型号.
钽电解电容。阳极由钽构成,目前很多钽电解电容都用贴片式安装,其外壳一般由树脂封装(采用同样封装的也可能是铝电解电容)。

本文主要重点介绍铝电解电容。其主要功能是用于平滑和储存能量,或者交流电压整流后的滤波。

铝电解电容的导电能力由电解液的电离能力和粘度决定。当温度降低时,电解液粘度增加,因而离子移动性和导电能力降低。当电解液冷冻时,离子移动能力非常低以致非常高的电阻。相反,过高的热量将加速电解液蒸发,当电解液的量减少到一定极限时,电容寿命也就终止了。在高寒地区(一般-25以下)工作时,就需要进行加热,保证电解电容的正常工作温度。如室外型ups,在我国东北地区都配有加热板。

铝电解电容的现状(注:这个现状可能是几年前的情况):近年来,我国电容器制造企业已经取得了长足进步,使国内市场由品质竞争转为成本竞争,市场价格竞争激烈。但中国制造产品大多数以电子玩具、电话机、一般avdvdtv、显示器、普通电子镇流器配套的中、低档市场为主,而长寿命电子镇流器、通信、it、工业变频器、工业开关电源、汽车电子配套的高档市场大部分被日、欧、美的制造企业占据。目前工业电气设备使用高可靠性、长寿命、大容量铝电解电容更是处于起步阶段,现在国内只有极少数厂家拥有从意大利和美国引进的大型全自动包卷设备,市场上仍销售有手工包卷的电容器制品。全球铝电解电容器产业中,以日本厂商综合技术水平最高,其中以hitachichemi-connichi-conrubycon最为有名。欧洲、美国电容器制造商主要有bhcevox-rifamalloryphilips以及德国的siemens与日本松下合作生产的epcos品牌电解电容等,欧美厂商重点致力于大型高技术screwtype(螺栓式)电容器的生产,这类产品在某些性能方面已超过日本公司的产品。


二、铝电解电容的重要参数介绍:

1、容量和额定工作电压

  铝电解电容本体上标有的容量和耐压,这两个参数是很重要,是选用电容最基本的内容。

  在实际电容选型中,对电流变化节奏快的地方要用容量较大的电容,但并非容量越大越好,首先,容量增大,成本和体积可能会上升,另外,电容越大充电电流就越大,充电时间也会越长。这些都是实际应用选型中要考虑的。

  额定工作电压:在规定的工作温度范围内,电容长期可靠地工作,它能承受的最大直流电压。在交流电路中,要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。常用的固定电容工作电压有6.3v、10v、16v、25v、50v、63v、100v、2500v、400v、500v、630v。电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。

  在滤波电路中,电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。另外还要注意的一个问题是工作电压裕量的问题,一般来说要在15%以上。例如某电容的额定电压是50v,虽然涌浪电压可能高至63v,但一般最高只会施加42v电压。

  让电容器的额定电压具有较多的余裕,能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。虽然说, 48v的工作电压使用50v的铝电解电容短时间不会出现问题,但使用久了,寿命就有可能降低。

2、介质损耗

  电容器在电场作用下消耗的能量,通常用损耗功率和电容器的无功功率之比,即损耗角的正切值表示(在电容器的等效电路中,串联等效电阻 esr 同容抗 1/ωc 之比称之为 tan δ,这里的 esr 是在 120hz 下计算获得的值。显然,tan δ随着测量频率的增加而变大,随测量温度的下降而增大)。损耗角越大,电容器的损耗越大,损耗角大的电容不适于高频情况下工作。散逸因数dissipation factor(df)存在所有电容器中,有时df值会以损失角tanδ表示。此参数愈低愈好。但铝电解电容此参数比较高。

df值是高还是低,就同一品牌、同一系列的电容器来说,与温度、容量、电压、频率……都有关系;当容量相同时,耐压愈高的df值就愈低。此外温度愈高df值愈高,频率愈高df值也会愈高。

3、外型尺寸

  外型尺寸与重量及接脚型态相关。single ended是径向引线式,screw是锁螺丝式,另外还有贴片铝电解电容等。至重量,同容量同耐压,但品牌不同的两个电容做比较,重量一定不同;而外型尺寸更与外壳规划有关。一般来说,直径相同、容量相同的电容,高度低的可以代用高度大的电容,但是长度高的替代低的电容时就要考虑机构干涉问题。

4、esr

  一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗。esr等效串联电阻esl等效串联电感。

5、纹波电流(irac)和纹波电压

纹波电流和纹波电压英文是 ripple current,ripple voltage。含义就是电容器所能耐受纹波电流/电压值。纹波电压等于纹波电流与esr的乘积。

当纹波电流增大的时候,即使在 esr 保持不变的情况下,纹波电压也会成倍提高。换言之,当纹波电压增大时,纹波电流也随之增大,这也是要求电容具备更低 esr 值的原因。叠加入纹波电流后,由于电容内部的等效串连电阻(esr)引起发热,从而影响到电容器的使用寿命。一般的,纹波电流与频率成正比,因此低频时纹波电流也比较低。

额定纹波电流是在最高工作温度条件下定义的数值,定义是在最高温度工作温度条件下电容器最大所能承受的交流纹波电流有效值并且指定的纹波为标准频率(一般为 100hz/120hz )的正弦波。而实际应用中电容的纹波承受度还跟其使用环境温度及电容自身温度等级有关。规格书目通常会提供一个在特定温度条件下各温度等级电容所能够承受的最大纹波电流。甚至提供一个详细图表以帮助使用者迅速查找到在一定环境温度条件下要达到某期望使用寿命所允许的电容纹波量。

电解电容的损耗因子(其与 esr 有关)随所施加电压的频率不同而不同。故电容的纹波承受度不简单是一个固定量,跟其纹波频率还成一关系。规格书目中提供的某一数值往往指的是 100 或 120 hz 的频率,或是一些特定的频率条件下。对于其它频率情况规格书通常会提供一个转换因数。

6、漏电流

  电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而,由于铝氧化膜介质上浸有电解液,在施加电压时,重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。通常,漏电流会随着温度和电压的升高而增大。它的计算公式大致是:i=k×cv。漏电流i的单位是μa,k是常数。一般来说,电容器容量愈高,漏电流就愈大。从公式可得知额定电压愈高,漏电流也愈大,因此降低工作电压亦可降低漏电流。

7、阻抗:

在特定的频率下,阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗。它与电容等效电路中的电容值、电感值密切相关,且与 esr 也有关系。电容的容抗在低频率范围内随着频率的增加逐步减小,频率继续增加达到中频范围时电抗降至esr的值。当频率达到高频范围时感抗变为主导,所以阻抗是随着频率的增加而增加。

开关电源中的输出滤波电解电容器,其锯齿波电压频率高达数十khz,甚至是数十mhz,这时电容量并不是其主要指标,衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性,要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗,同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

8自寿命( shelf life

当电解电容在不充电状态下长期放置之后,漏电流及 esr 将会逐渐增大,而容量会逐渐衰减。然而常温条件下普通电容两年左右的存储以及低漏电流电容约半年的存存储都不会令这些参数有太大的恶化。故一般情况下这些特性都不会在实际应用中带来麻烦。

这种变化往往被解释为电解液与氧化铝薄膜间的化学反应所致。

另一个致使漏电流增大的原因是电解液渗透到氧化膜缺陷处并替代氧气扩散,以阻止缺陷处暴露于电解液高温的环境将令密封材质的密封力度逐渐衰减,从而加速电解液的挥散。这些都会致使电容器参数的恶化。

一般规格书目会提供一个上限温度情况下的自寿命值(多长的时间之后,容量值、损耗角、漏电流等关键参数能够保持在多少的范围之内)。

9负载寿命 (load life)

当电解电容被长时间施加了一定的 dc 电压及纹波电流之后,一些关键参数将会往不良方面发展(容量衰减、损耗角增大等)。规格书目将对这些变化量进行规范并据此定义其电容器件的寿命。

在负载寿命测试中(施加了一定的 dc 电压及纹波电流),漏电流往往都保持着很小的1个数量值,这是由于其间的 dc 电压一直在对作为电介质的氧化铝层进行修复作用(消耗电解液)。容量及损耗角的改变主要是由于电解液的消耗(挥散及自身分解)所致。高温环境会加快电解液的消耗速度。故负载寿命的计算其实就是归结为器件内部温度的求解过程。


三、铝电解电容的寿命评估:

1、评估铝电解电容器寿命的重要性:

下面三段话是三篇关于电解电容文献中的原记录:

“与电阻、ic、晶体管、塑料薄膜电容这些半永久性器件相比,铝电解电容器具有易老化、频率和温度特性差、可靠性低等明显弱点,所以铝电解电容器的保证寿命是决定整机可靠性的关键元件之一,需要特别重视。”

在开关电源的mtbf预计时,模型分析结果表明电解电容是影响开关电源寿命的主要因素,因此了解、影响电容寿命的因素非常重要。

电路系统性能的稳定可靠,与选用的元器件参数、等级、质量等密切相关。设计师应针对产品应用环境以及电性能的要求,准确提出对元件参数的具体要求,包括标称值、精度和误差要求、稳定性要求、温度范围要求、安装尺寸以及与电路性能密切相关的其它要求。因为在所有的被动元件中,铝电解电容的失效率最高,所以选型尤为重要。


2、铝电解电容器寿命的准确定义:

寿命有标称时间寿命和实际工作寿命。产品标称寿命是电解电容器生产厂商区分出的产品等级标注符号,对该电容安装到机器设备上后,实际工作寿命没有直接参考价值。在此讨论的“寿命”是指电容器稳定工作,各项参数保持在限定范围内的时间段,不涉及电容器寿命问题。

电容器寿命终结,一般有以下判断标准:

(1)(初期电容量-即时电容量)/初期电容量≥20%

(2)即时损耗角正切值≥200%初期损耗角正切值。

(3)漏电流≥初期漏电流值。

电容器的失效概率曲线如图1所示。初始阶段:由于使用中的过电压、反向电压、超过极限纹波电流等条件处理不当引起的失效,此类失效在电容器接通电路后立刻会被发现,因此不会进入使用领域,可以通过适当的回路设计和改进安装方法加以避免。工作阶段:此阶段的失效概率极低,通常在30×10-6以下,是随机性的失效,主要与工作环境有关。寿命终结阶段:电容器的性能急剧恶化,失效率随时间发展而大幅上升,在此阶段电容器彻底失效。通常选用电容器的时候,只考虑工作阶段电容器的失效概率,要保证电容器的工作阶段寿命(1a-b时间段)达到整机设备设计寿命要求,或者使用时间可靠,则应定期更换。在目前电容器业界,普遍使用温度加时间标称电容器品质等级,但不同的电容器厂商,相同等级的电容器产品在使用性能上并不能完全等同。这主要是因为:(1)各电容器厂商参数的变化控制范围不一样;(2)电容器厂商试验方法、实验设备不同造成的,所以评价电解电容必须参考厂商提供的产品规格书中各项数据的误差范围和实验方法。


图1 铝电解电容器的失效概率曲线


这里附带说一下,有些公司在产品的产测前,先把产品进行几个小时的烧机(burn in)处理,然后再进行产测。目的就是在初始阶段,把一些失效概率比较高的不良品剔除出来,提高产品的整体良率,原理就是根据这个失效概率曲线。


3、铝电解电容器的寿命分析与计算:

铝电解电容器在工作状态下,以温度对电容器寿命影响最大,会使静电容量变小及增大损失角,加速电容器的老化,所以温度条件是影响电容器寿命最主要的因素。纹波电流和esr引起电容器内部发热,又是决定电容器内部温度最重要的原因。

计算电容器在直流工作电压下的使用寿命为:

l=l0·2(t0-t1/10·k-t/10                         (1

(1)式中l为铝电解电容器的实际工作寿命,l0为标称时间寿命,t0为电容器标称上限温度,t1为实际环境工作温度,δt为电容器中心的温升(单位:℃)

(1)式中叠加纹波电流在额定范围内时,k=2;叠加纹波电流超出额定范围时,k=4

例如,105℃、2000h保证品电解电容,环境温度为35℃,实际通过的纹波电流小于纹波电流额定值,电容内部热点温度为55℃,则

l=2000·2(105-35/10·2-(55-35)/10   = 64 000 小时

假如上述电解电容的纹波电流大于纹波电路额定值,电容内部热点温度为85℃,则:

l=2000·2(105-35/10·4-(85-35)/10   = 250 小时

所以从(1)式中可得到以下结论:

当叠加纹波电流没有超出额定范围时,电容内部热点温度每增高10℃,电解电容的寿命减半;

当叠加纹波电流超出额定范围时,电容内部热点温度每增高10℃,电解电容的寿命减到原来的四分之一。

(2)式是铝电解电容器内部热点温度的计算公式:

t2=t1 δt=t1 i2r/(a·h)                            (2)

其中,t2为电容器内部热点温度,t1为实际环境工作温度,δt为电容器中心的温升, i为叠加纹波电流(单位:a)r为等效串联电阻(单位:ω)a为电容器的表面积(单位:cm2)h为散热系数1.5×10-32.0×10-3(单位:w/cm2·℃)

由式(2)可知,电容器内部温升与叠加纹波电流的平方以及等效串联电阻(esr)成正比,与电容器的表面积成反比。

四、小结:

铝电解电容的选型要综合考虑它的容量,耐压,温度范围,元件封装形式与尺寸纹波电流、纹波电压漏电流、esr、散逸因数、阻抗/频率特性电容寿命实际需要、性能和成本等

电解电容的寿命很大程度上决定了整个电路板的使用寿命;电解电容的寿命主要由其内部热点温度决定;对于一个电解电容来说,其内部热点温度主要取决于叠加纹波电流、纹波电路额定值和esr。

对于电路设计来说,我们主要通过减小叠加纹波电流来提高电解电容的寿命,方法有多只电容器并联、采用合理的电路拓扑及一些冷却措施等,具体方法还要进一步学习和研究。


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