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電源適配器中電解電容器的失效機理

作者:索源科技來源:http://www.razafin.com 日期:2019-08-09

電源適配器的長期性能及使用壽命,應主要考慮電解電容的預期壽命。內部的電解液最終會蒸發,使電容值下降,降至某一值以下時,我們可以宣布電容”死亡”,不能再使用。多數制造商都規定了電容的有效壽命,這指的是電容值在初始電容值的基礎上僅降低20%。但是要記住電容的初始電容值就已經是-20%的(通常初始的公差是±20%)。因此電容壽命終了時的容值爲0.8*0.8=0.64,也就是說比額定值少36%(並非20%+20%=40%)。如果電容量是100uF,當壽命終結時,最惡劣的情況是容值僅爲64uF.因此如果你設計的電源適配器中的電容值比較低,意外將很快發生,保持時間將很快變得不足。即使是正常運行時輸入紋波也將變得非常大,以至于它的“平均值”顯著下降,尤其當電源電壓低時。所以,隨著時間的增長,管子的發熱將越來越嚴重。效率會惡化,輸出紋波也會增加,很可能使電源適配器運行不正常。因此,如果你計算出所需要的電容值爲100uF,那麽實際上你應選用初始容值爲C=100/0.64=156uF的電解電容,總是要選用比計算值大56%的電容。

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那麽電解電容超過它的有效壽命時會發生什麽呢?換句話說,假設直到100uF的電容壽命結束,電容值降到64uF爲止,你的電源都是工作正常的。你能指望老天會讓你的電源多正常運行幾年嗎?當然不會,因爲電解電容壽命的結束基于兩個重要的標准,即容值降低20%,和耗散因素增加200%。耗散因素(DF)定義爲阻尼電阻ESR與容抗的比值(120Hz時)。因此一個100uF的電容,若其ESR爲1歐姆,則其DF值在120Hz時爲ESR*2πfC=0.075。試著記住這個值,還要記住DF與ESR和C(以及頻率)成正比。這有助于你迅速弄明白ESR和DF間的關系。注意,DF也稱爲損耗角正切或損耗角。一般而言,對于電容,如果額定容值等于或大于10uF,則標准測量頻率爲120Hz,否則爲1KHz。但對于電解電容,這一測試頻率總是固定爲120Hz。你可以在選用的電解電容的數據手冊中得到確認。
如果假定電解電容在其壽命終結時,容值下降了20%,同時使DF也下降了20%。由計算得出,此時ESR增加了200/0.8=250%。也就是說,在電容器壽命結束時,盡管電容值可能下降的不多,但ESR卻增加了2.5倍。因此,如果電容的作用是消除高頻交流紋波(如降壓和升壓開關電源的輸入濾波電容,或者是輸出濾波電容),它的發熱將增加2.5×2.5=6.25倍。那麽結果會怎麽樣呢?當然,效率會受到明顯的影響,但別忘了熱是使電解電容電解液變幹的首要因素。因此,熱失控現象即將發生,發熱越多—ESR越大—發熱更多—ESR更大。

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讓我們總結一下電容老化過程中的幾個關鍵因素。
1. 電容端口的密封性能。任何結合處的性能都不能百分之百地理想,隨著時間的增加,蒸發就會慢慢發生。我們可以選擇供貨質量好的供應商。原則上,可以將電容完全密封起來,比方說將其完全浸入到環氧樹脂或超強力的膠水中。 但電解電容的設計有排氣孔,用來在高壓時將蒸汽派出(非常像高壓鍋)。然而,盡管采取了如此多的安全性措施,但我們還是見到一些電解電容器發生了強烈的爆炸。
2. 環境溫度。熱可能來自周圍功率器件或來自本身內部熱損耗。如果溫度比較高,蒸發率會上升使壽命縮短。
3. 內核溫度。因爲電容器內部的導熱性並不完美,所以我們認爲電容內部有一些熱點。在最壞情況下,熱點溫度成爲計算壽命所使用的溫度。
4. 阻尼電阻ESR。顯然,ESR會影響內部熱損耗,很可能使溫度升高並加速蒸發過程。
5. 頻率。由于ESR是頻率的函數,因此頻率將間接地影響電容的壽命。
6. 紋波電流。電解電容數據手冊中最重要的參數是額定紋波電流。通常指的是頻率爲120Hz,溫度爲105℃情況下的電流有效值。額定紋波電流本質上的含義爲,如果環境溫度爲最大額定溫度105℃,且電容流過大小爲前述有效值的電流,電容的壽命將和預期壽命相等。在這樣的條件下,電容壽命通常在2000小時到10000小時之間。在開關電源中,基本不使用85℃的電解電容,因爲環境溫度高時,它們無法滿足壽命要求。
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