什么影響電解電容器的壽命？

如果你和一群設(shè)計(jì)工程師交談，你可能很快就會(huì)形成這樣一種觀點(diǎn)：電解電容器的名聲特別可疑。這種觀點(diǎn)當(dāng)然沒(méi)有受到新千年前幾年發(fā)生的所謂“電容器瘟疫”的幫助。在這些類型的電容器中使用的電解液混合不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早故障，而且通常，焊接它們的多氯聯(lián)苯會(huì)出現(xiàn)“一點(diǎn)混亂”。由于使用某些品牌的“問(wèn)題”電容器的商品具有很高的知名度，這成了大新聞?？吹搅藛徇@個(gè)維基百科鏈接如果你想看更多的細(xì)節(jié)。

然而，盡管存在電容器瘟疫的問(wèn)題（維基百科報(bào)道稱這是一次拙劣的工業(yè)間諜活動(dòng)，導(dǎo)致使用了不正確的電解液配方），本文的重點(diǎn)是幫助設(shè)計(jì)者理解如何從電解電容器獲得更多的使用壽命。我們不會(huì)深入比較不同元件的電解電容器壽命值。歸根結(jié)底，你得到了你所付出的，不管你喜歡與否，電解電容器在許多設(shè)計(jì)中都是必不可少的。

導(dǎo)致電解電容器劣化和失效的主要機(jī)制是隨著時(shí)間的推移電解液的緩慢蒸發(fā)，當(dāng)然，在更高的溫度下，這會(huì)變得更糟。這使得電容降低，有效串聯(lián)電阻（ESR）更高。這是一個(gè)惡性循環(huán)，因?yàn)殡S著ESR的上升，任何由于紋波電流而產(chǎn)生的自熱效應(yīng)也會(huì)上升。這會(huì)導(dǎo)致顯著的局部溫度升高，從而進(jìn)一步加速問(wèn)題的發(fā)展。在過(guò)去，這影響了一些公司實(shí)施計(jì)劃維護(hù)的規(guī)則，即每隔幾年就用合適的更換部件更換電解電容器，特別是當(dāng)系統(tǒng)用于關(guān)鍵應(yīng)用時(shí)。

你經(jīng)常會(huì)看到，一個(gè)電解電容器會(huì)有一個(gè)壽命數(shù)字，比如5000小時(shí)。我們要用 TDK（以前的EPCOS）產(chǎn)品介紹作為如何解釋這些信息的示例。此數(shù)據(jù)表用于B41888電容器，這是我在相當(dāng)關(guān)鍵的產(chǎn)品中使用過(guò)的一個(gè)，它的預(yù)期壽命很長(zhǎng)。數(shù)據(jù)表摘要如下：

我用紅色突出顯示了相關(guān)區(qū)域。它告訴你一個(gè)8毫米直徑的電容器將提供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。然而，這一數(shù)字適用于105的工作溫度°C。如果工作溫度是10°C冷卻器，95°C、 那么壽命就會(huì)翻倍。每10英鎊就翻一倍°C降低到105以下°C。所以，如果特定電路中電容器的運(yùn)行環(huán)境溫度保持在55以下°C、 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(shí)的壽命】*2x

其中“x”是（105°C-T實(shí)際）除以10。溫度為55°C、 “x”=5，因此有效壽命從105歲時(shí)的5000小時(shí)延長(zhǎng)°C至32 x 5000小時(shí)，55°C.現(xiàn)在已經(jīng)18年了，更加實(shí)用。

關(guān)于上面的數(shù)據(jù)表，右邊突出顯示的一欄告訴你電容可能會(huì)從原來(lái)的值下降到比原來(lái)低40%的值組件的有效壽命. 所以，如果你選擇1000μ對(duì)于你設(shè)計(jì)的電容器，你可以期望它的最低初始值是800μF基于數(shù)據(jù)表中規(guī)定的設(shè)備20%公差。因此，在它的“有效壽命”結(jié)束時(shí)，最壞的情況是它可能已經(jīng)下降到這800個(gè)的60%μF初始值，也就是480μF。作為設(shè)計(jì)師，只有你能說(shuō)這是否能為你的產(chǎn)品提供足夠的最終性能。作為一個(gè)設(shè)計(jì)師，你必須考慮到這個(gè)退化因素，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

對(duì)于B41888設(shè)備，數(shù)據(jù)表顯示“棕褐色”可能會(huì)增加一倍壽命的三倍. Tan是損耗因子，或ESR與容性電抗之比，不應(yīng)與之混淆損耗角正切. 作為參考，它也是Q因子的倒數(shù)。對(duì)于額定電壓為35伏的B41888設(shè)備，tan在120赫茲時(shí)被列為0.12。一千美元μF電容器的電抗為1.326Ω 在120赫茲，這意味著ESR為0.159Ω.

這個(gè)數(shù)字正好是1000個(gè)電容器μF、 但我們看到它可能高達(dá)0.199Ω 對(duì)于位于初始公差范圍低端的電容器（即800μF） 一。在它的壽命結(jié)束時(shí)，我們看到電容可能只有480μF、 因此，ESR可能上升到0.332Ω. 最后，由于tan在壽命期內(nèi)可以降解三倍，ESR可能會(huì)增加到0.995Ω.

你從一個(gè)名義上是1000的電容器開(kāi)始你的設(shè)計(jì)μF（ESR為0.159Ω), 現(xiàn)在你可以得到一個(gè)480的電容器μF的ESR約為1Ω. 你的設(shè)計(jì)能應(yīng)付這種情況嗎？它將如何影響性能？提示-模擬工具是你在這種情況下的盟友；用它們來(lái)看看效果。

B41888的壽命圖假設(shè)它是在全紋波電流下運(yùn)行的。但是，您也可以在數(shù)據(jù)表中找到適用于直徑為8 mm的電容器的有用圖表：

如果選擇在額定紋波電流的50%下運(yùn)行（Y軸上為0.5），這相當(dāng)于在當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度3°C下運(yùn)行冷卻器。這是一個(gè)23%的潛在壽命增長(zhǎng)，有時(shí)，每多一點(diǎn)都可以算數(shù)。如果你需要推動(dòng)紋波電流的包絡(luò)線，你也可以從這個(gè)圖表中得到你需要的信息。例如，如果在額定紋波電流為65°C時(shí)以50%的速度運(yùn)行、 你仍然可以達(dá)到100000小時(shí)的使用壽命，就像你在71°C額定紋波電流的一半運(yùn)行時(shí)一樣。重要的是要注意，如果你不想損壞組件，圖的深色部分是禁止進(jìn)入的區(qū)域。

當(dāng)工作電壓低于最大額定電壓時(shí)，您可以獲得相當(dāng)可觀的壽命延長(zhǎng)。最保守的估計(jì)是，當(dāng)部件在50%的額定電壓下工作時(shí)，壽命會(huì)翻倍。當(dāng)然，當(dāng)工作電壓接近最大額定電壓時(shí)，它會(huì)相應(yīng)地變小。我已經(jīng)看到了不那么保守的估計(jì)，但是，由于制造商信息中沒(méi)有任何其他數(shù)據(jù)表明，我建議你堅(jiān)持這種線性關(guān)系，不要期望壽命在翻倍之后有任何進(jìn)一步的改善。

數(shù)據(jù)表中有許多方便的信息. 例如，對(duì)于我們?cè)谶@里重點(diǎn)介紹的B41888電容器，數(shù)據(jù)表摘錄表明，盡管直徑為8 mm的設(shè)備壽命為5000小時(shí)，但直徑為12.5 mm（或更大）的設(shè)備在10000小時(shí)時(shí)的壽命是前者的兩倍。如果您的目標(biāo)電容值允許選擇直徑，并且您的電路板上有空間，那么選擇較大的部件將有助于提高壽命。例如，如果你選擇100μF、 一個(gè)35伏的部件，你打算在30伏的電壓下運(yùn)行，你可以選擇63伏額定電壓的部件來(lái)獲得很好的壽命效益。

35伏部分的直徑為8毫米，而63伏部分的直徑為10毫米。然而，10毫米部件的壽命為7000小時(shí)，只要在48%的額定電壓下運(yùn)行，就可以翻倍到14000小時(shí)。8毫米部件的使用壽命為5000小時(shí)，如果在30伏電壓下工作，則只能增加到5833小時(shí)。所以，直徑增加2毫米，你的壽命就會(huì)大大增加。

另一個(gè)考慮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1000μF、 35伏元件，數(shù)據(jù)表會(huì)告訴你它的額定紋波電流是105°C為2.459安培，但這是在指定的100千赫。因此，如果應(yīng)用程序以較低頻率運(yùn)行，則必須使用下面的圖表來(lái)確定效果：

在低頻（如120Hz）下，額定紋波電流僅為100kHz時(shí)值的65%。這意味著，對(duì)于120赫茲應(yīng)用中的正確壽命評(píng)估，您被限制在一個(gè)更有限的額定紋波電流只有1.598A。

不要誤會(huì)電解電容器在預(yù)期壽命內(nèi)的性能與故障率或 平均無(wú)故障時(shí)間. 任何電子元件的突然和意外的故障都不同于元件的“老化”。當(dāng)然，如果您設(shè)計(jì)的電路因電解電容器老化而停止工作，從用戶的角度來(lái)看，這肯定是設(shè)備故障。然而，設(shè)計(jì)者的失敗是沒(méi)有意識(shí)到組件的性能是如何隨著時(shí)間的推移而自然降低的。換句話說(shuō)，這是一個(gè)設(shè)計(jì)故障，而不是組件故障。

一個(gè)電解電容器的平均無(wú)故障時(shí)間以百萬(wàn)小時(shí)為單位。盡管這可能會(huì)因?yàn)樗鼉?chǔ)存的能量和周圍的工作溫度而降低，但離組件的使用壽命要低得多還差得遠(yuǎn)。

如果電解液有這樣的問(wèn)題，為什么它們被如此廣泛地使用？有幾個(gè)原因，但其中最主要的是能夠獲得高電壓額定值和高電容電源設(shè)計(jì)通常需要. 由于電解液的化學(xué)性質(zhì)，沒(méi)有其他類型的元件能提供相同的高電容和高電壓的組合。對(duì)于其他零部件，零件要么變得很大，要么大量零件需要平行放置。

在過(guò)去的一個(gè)項(xiàng)目中，我需要使用20個(gè)并聯(lián)電解電容器（3300μF、 在最近的設(shè)計(jì)中創(chuàng)造了一個(gè)重要的儲(chǔ)能裝置。MTBF和MTBF的區(qū)別我會(huì)幫你理解的。電路接收到一個(gè)低毫安充電電流，但受到零星負(fù)載電流脈沖（以安培為單位）的影響。

關(guān)于整個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備的使用壽命，我完全預(yù)計(jì)并行組件會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。換言之，所有20個(gè)組件的壽命預(yù)計(jì)與單個(gè)設(shè)備的壽命相同。然而，對(duì)于平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF），單個(gè)器件的值需要除以20，因?yàn)樵遣⒙?lián)的，20個(gè)元件中的任何一個(gè)都可能發(fā)生短路，從而導(dǎo)致器件的故障。