什么會(huì )影響電解電容器的使用壽命？

2021-04-14

什么會(huì )影響電解電容器的使用壽命？

如果與一群設計工程師交談，您可能會(huì )很快形成一種觀(guān)點(diǎn)，認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“電容器災難”當然并沒(méi)有幫助這種觀(guān)點(diǎn)。這些類(lèi)型的電容器中使用的電解質(zhì)混合物有缺陷，會(huì )導致設備過(guò)早失效，而且經(jīng)常會(huì )在焊接它們的PCB上產(chǎn)生“一團糟”。由于使用某些品牌的“受災”電容器的商品的引人注目的性質(zhì)，這成為了一個(gè)重大新聞。

但是，盡管存在電容器災難的問(wèn)題，但本文還是致力于幫助設計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(huì )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(wú)論您是否喜歡，電解電容器在許多設計中都是必不可少的。

什么原因導致電解電容器故障？

導致電解電容器退化和故障的主要機理是電解液隨時(shí)間的緩慢蒸發(fā)，當然，在較高溫度下這種情況會(huì )變得更糟。這導致較低的電容和較高的有效串聯(lián)電阻（ESR）。這是一個(gè)惡性循環(huán)，因為隨著(zhù)ESR的上升，由于紋波電流引起的任何自熱效應也會(huì )上升。然后，這可能導致明顯的局部溫度升高，從而進(jìn)一步加劇該問(wèn)題。過(guò)去，這已經(jīng)影響了一些公司實(shí)施計劃內維護的規則，該規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)鍵應用中使用該系統時(shí)。

電容器規格

您通常會(huì )看到電解電容器的壽命數字如5000小時(shí)。我們將使用TDK（以前為EPCOS）數據表作為如何解釋此信息的示例。本數據表適用于B41888電容器，這是我在預期壽命很長(cháng)的相當關(guān)鍵的產(chǎn)品中使用的電容器。數據表摘要如下：

我用紅色突出顯示了相關(guān)區域。它告訴您，直徑為8毫米的電容器將提供5000小時(shí)的使用壽命。生命只有208天，從表面上看，這是一個(gè)非常低的價(jià)值。但是，該數字適用于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行環(huán)境溫度維持在55°C以下，則可以使用以下公式計算實(shí)際壽命：

實(shí)際使用壽命= [105°C時(shí)的使用壽命]?2x 

其中“ x”是（105°C-T ACTUAL）除以10。在55°C時(shí)，“ x” = 5，因此有效壽命從105°C的5,000小時(shí)延長(cháng)到55°C的32 x 5000小時(shí)℃。到現在已經(jīng)18年了，更加實(shí)用了。

“有效壽命”是什么意思？

關(guān)于上面的數據表，右側突出顯示的列通知您，電容可能會(huì )從其原始值下降到一個(gè)值，該值可能會(huì )在該組件的使用壽命內降低多達40％。因此，如果您在設計中選擇一個(gè)1000μF電容器，則根據數據手冊中規定的器件20％容差，可以預期其最低初始值為800μF。因此，在其“可用壽命”結束時(shí)，最壞的情況是它可能已降至該800μF初始值（僅為480μF）的60％。作為設計師，只有您可以說(shuō)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，作為設計師，您必須考慮此降級因素。

耗散因數

對于B41888器件，數據表告訴我們，“棕褐色”在整個(gè)使用壽命中可能會(huì )增加三倍。Tan是耗散因數，或者是ESR與電容電抗之比，不應將其與損耗角正切相混淆。作為參考，它也是Q因子的倒數。對于額定值為35伏的B41888器件，tan在120 Hz時(shí)列出為0.12。1000μF電容器在120 Hz時(shí)的電抗為1.326Ω，這意味著(zhù)ESR為0.159Ω。

這就是正好為1000μF的電容器的數字，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0.199Ω。在使用壽命結束時(shí)，我們已經(jīng)看到電容可能僅為480 F，因此，ESR可能會(huì )上升至0.332Ω。最后，由于棕褐色在整個(gè)使用壽命中會(huì )降低三倍，因此ESR可能會(huì )增加至0.995Ω。 

您的設計始于標稱(chēng)值為1000μF（ESR為0.159Ω）的電容器，現在可以得到480μF且ESR約為1Ω的電容器。您的設計是否可以應對？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(lái)觀(guān)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，您也可以在數據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）下運行，則相當于在本地環(huán)境溫度低3°C的條件下運行。使用壽命可能增加23％，有時(shí)，每增加一點(diǎn)點(diǎn)就可以計數。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％的頻率運行組件，則仍將達到100,000小時(shí)的使用壽命，這是在71°C的額定紋波電流的一半下運行時(shí)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(guò)的區域。

工作電壓

當工作電壓低于最大額定電壓時(shí)，可以延長(cháng)使用壽命。最保守的估計是，當組件在額定電壓的50％下工作時(shí)，壽命會(huì )增加一倍。當然，當工作電壓接近最大額定電壓時(shí)，它會(huì )成比例地變小。我看到的保守估計較少，但是，如果制造商的信息中沒(méi)有任何數據可以提供其他建議，我建議您堅持這種線(xiàn)性關(guān)系，并且不要指望壽命會(huì )再增加一倍，而不會(huì )進(jìn)一步改善。 

閱讀數據表

例如，對于我們在此重點(diǎn)介紹的B41888電容器，數據表摘錄顯示，盡管直徑為8毫米的設備的使用壽命為5,000小時(shí)，但直徑為12.5毫米（或更大）的設備在10,000小時(shí)的壽命是其兩倍。如果您的電容目標值允許選擇直徑，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(gè)100μF，35伏的組件，該組件打算在30伏的電壓下運行，那么通過(guò)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(shí)，僅以48％的額定電壓運行就可以翻倍至14,000小時(shí)。8毫米部件的使用壽命為5,000小時(shí)，如果在30伏特下工作，則只能增加到5833小時(shí)。因此，相對較小的直徑增加2毫米，可以顯著(zhù)延長(cháng)使用壽命。

另一個(gè)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，如果您的設計需要一個(gè)1000μF，35伏的組件，則數據手冊將告訴您它在105°C時(shí)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，如果應用程序以較低的頻率運行，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(shí)的值的65％。這意味著(zhù)，為了在120 Hz應用中進(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期的使用壽命內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。當然，如果您設計的電路由于電解電容器的老化而停止工作，那么從用戶(hù)的角度來(lái)看，這肯定是設備故障。但是，設計人員的失敗并不是無(wú)法識別組件的性能隨時(shí)間自然下降的情況。換句話(huà)說(shuō)，這是設計失敗，而不是組件失敗。

電解電容器的MTBF將以百萬(wàn)小時(shí)為單位進(jìn)行測量。盡管這可以通過(guò)存儲的能量和環(huán)境工作溫度來(lái)降低，但仍遠未達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(wèn)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計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(méi)有其他組件類(lèi)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(guò)去的一個(gè)項目中，我需要使用20個(gè)并聯(lián)的電解電容器（3,300μF，35伏）在最近的設計中創(chuàng )建一個(gè)重要的儲能設備。我之所以提及這一點(diǎn)，是因為它可以幫助您了解壽命和MTBF之間的區別。電路接收到低mA的充電電流，但會(huì )受到零星的負載電流脈沖（以安培為單位）的測量。 

關(guān)于整個(gè)存儲設備的使用壽命，我完全希望并行組件隨時(shí)間推移平均退化。換句話(huà)說(shuō)，所有20個(gè)組件的壽命預計將與單個(gè)設備的壽命相同。但是，對于MTBF，單個(gè)設備的值將需要除以20，因為組件是并聯(lián)的，并且20個(gè)組件中的任何一個(gè)都可能無(wú)法短路，這將導致設備故障。

在哪里找到可靠的零件

我們在本文開(kāi)頭提到的電容器瘟疫問(wèn)題被認為是“適當的故障”（即與故障率有關(guān)），并且與使用壽命內的組件磨損不同。滴水的水龍頭是否會(huì )導致浴室故障？答案顯然是“不”，通常只是正常的磨損而已，這是可以預期的。