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电源适配器中电解电容器的失效机理

点击:611 日期:2016-11-03 选择字号:
电源适配器的长期性能及使用寿命,应主要考虑电解电容的预期寿命。内部的电解液最终会蒸发,使电容值下降,降至某一值以下时,我们可以宣布电容”死亡”,不能再使用。多数制造商都规定了电容的有效寿命,这指的是电容值在初始电容值的基础上仅降低20%。但是要记住电容的初始电容值就已经是-20%的(通常初始的公差是±20%)。因此电容寿命终了时的容值为0.8*0.8=0.64,也就是说比额定值少36%(并非20%+20%=40%)。如果电容量是100uF,当寿命终结时,最恶劣的情况是容值仅为64uF.因此如果你设计的电源适配器中的电容值比较低,意外将很快发生,保持时间将很快变得不足。即使是正常运行时输入纹波也将变得非常大,以至于它的“平均值”显著下降,尤其当电源电压低时。所以,随着时间的增长,管子的发热将越来越严重。效率会恶化,输出纹波也会增加,很可能使电源适配器运行不正常。因此,如果你计算出所需要的电容值为100uF,那么实际上你应选用初始容值为C=100/0.64=156uF的电解电容,总是要选用比计算值大56%的电容。
那么电解电容超过它的有效寿命时会发生什么呢?换句话说,假设直到100uF的电容寿命结束,电容值降到64uF为止,你的电源都是工作正常的。你能指望老天会让你的电源多正常运行几年吗?当然不会,因为电解电容寿命的结束基于两个重要的标准,即容值降低20%,和耗散因素增加200%。耗散因素(DF)定义为阻尼电阻ESR与容抗的比值(120Hz时)。因此一个100uF的电容,若其ESR为1欧姆,则其DF值在120Hz时为ESR*2πfC=0.075。试着记住这个值,还要记住DF与ESR和C(以及频率)成正比。这有助于你迅速弄明白ESR和DF间的关系。注意,DF也称为损耗角正切或损耗角。一般而言,对于电容,如果额定容值等于或大于10uF,则标准测量频率为120Hz,否则为1KHz。但对于电解电容,这一测试频率总是固定为120Hz。你可以在选用的电解电容的数据手册中得到确认。
如果假定电解电容在其寿命终结时,容值下降了20%,同时使DF也下降了20%。由计算得出,此时ESR增加了200/0.8=250%。也就是说,在电容器寿命结束时,尽管电容值可能下降的不多,但ESR却增加了2.5倍。因此,如果电容的作用是消除高频交流纹波(如降压和升压开关电源的输入滤波电容,或者是输出滤波电容),它的发热将增加2.5×2.5=6.25倍。那么结果会怎么样呢?当然,效率会受到明显的影响,但别忘了热是使电解电容电解液变干的首要因素。因此,热失控现象即将发生,发热越多—ESR越大—发热更多—ESR更大。
让我们总结一下电容老化过程中的几个关键因素。
1. 电容端口的密封性能。任何结合处的性能都不能百分之百地理想,随着时间的增加,蒸发就会慢慢发生。我们可以选择供货质量好的供应商。原则上,可以将电容完全密封起来,比方说将其完全浸入到环氧树脂或超强力的胶水中。 但电解电容的设计有排气孔,用来在高压时将蒸汽派出(非常像高压锅)。然而,尽管采取了如此多的安全性措施,但我们还是见到一些电解电容器发生了强烈的爆炸。
2. 环境温度。热可能来自周围功率器件或来自本身内部热损耗。如果温度比较高,蒸发率会上升使寿命缩短。
3. 内核温度。因为电容器内部的导热性并不完美,所以我们认为电容内部有一些热点。在最坏情况下,热点温度成为计算寿命所使用的温度。
4. 阻尼电阻ESR。显然,ESR会影响内部热损耗,很可能使温度升高并加速蒸发过程。
5. 频率。由于ESR是频率的函数,因此频率将间接地影响电容的寿命。

6. 纹波电流。电解电容数据手册中最重要的参数是额定纹波电流。通常指的是频率为120Hz,温度为105℃情况下的电流有效值。额定纹波电流本质上的含义为,如果环境温度为最大额定温度105℃,且电容流过大小为前述有效值的电流,电容的寿命将和预期寿命相等。在这样的条件下,电容寿命通常在2000小时到10000小时之间。在开关电源中,基本不使用85℃的电解电容,因为环境温度高时,它们无法满足寿命要求。

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