电源设计小贴士50:铝电解电容器常见缺陷的规避方法

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大家好 我是德州仪器的资深电源工程师 David Dou 欢迎来到电源小贴士 在这个小贴士里 我们将要来讨论铝电解电容器 它们的一些优点及一些可能遇到的陷阱 如果您在某些应用中不加注意的话 铝电解电容的应用非常流行 因为它们非常便宜 它们作为电源的输出滤波器 存储能量 供给负载比较其他电容的选择 它的体积是相当大 可是你不得不也放一些小尺寸的电容在输出端 它们有有限的寿命 它们有一个内建的失效机制 这将限制它们的寿命在 10000-20000个小时 尤其在高温运行环境下 它们的性能 在整个工作温度范围内也不太好 因此 这里是怎样计算 铝电解电容器寿命的公式 你能够发现 电容器的寿命 由电容器的基本寿命 乘以某些运行温度的函数 及电容器工作电压的第二个函数来决定 典型的例子 你一般看到 电容器的基本寿命是 1000-2000个小时 在你看到的工作温度下 寿命可达5000个小时 尽管一些能工作在85度 另外一些能工作在125度 但大多数铝电解电容的工作温度是105度 所以第一个函数是相当简单的一个函数 这个函数和电容器的工作温度有关 这里F1=2的AT/10 非常简单 这就是说 每当电容器的工作温度上升10度 它的寿命将下降一半 因此 这意味着 你想电容器的寿命达到25000小时 你必须限制电容器的温度在65度左右 在许多应用里 你能看到人们关注的一些事情 如果你拆开现今一些LED替代灯泡 你能够在这些灯泡里找到铝电解电容 这些绝对不会维持 像他们广告里所说的23年的寿命 有关铝电解电容的寿命等级的 第二个函数是应用电压 在这里提供应用电压的应力比率 对寿命倍率的关系曲线 从图上可看到 60%的电压降额应用 可换来大约一倍的电容器寿命 并且这不是对电容寿命最大的影响因素 因为温度的影响是更大的 你将发现 如果你要运行低的电压应力在电容上 电容将有更高的ESR 高的ESR意味着更高的温升 实际上很多时候 你通过改变电压应力 反而减少的电容器的寿命 因为这个因素的影响 人们一般选择80%左右的电压应力比例 在铝电解电容上 现在 第二件事情是当液体电解液变得冷时 你不得不非常留意 这些铝电解电容的特性 它的特性变差 例如 在低温时 它的容量显著地降低 等效阻抗升高 这两个参数的改变可能超过10:1 从而导致输出纹波的改变达到10:1 如果你的电源的控制环路 是电流控制模式 即如果穿越频率是通过ESR和 输出电容来设置的话 这将大大影响电源的控制环路 你将看到10:1的增益变化 这将影响瞬态响应 同样的 如果你正看输入滤波器的输出阻抗 并且输入滤波器有工作在地问道铝电解电容 低温将增加源阻抗 结果将导致一个振荡的功率系统 因此当在非常宽的温度范围下 使用这些电容器时 你将要有折中的设计 面对10:1的ESR变化 10:1的电容量的变化 你将依次来设计你的控制环路 并且你也会看到 输出纹波会有10:1的改变 这对元件的选择有重大的影响 因为很便宜 所以铝电解电容的应用非常流行 然而你不得不留心这两个关键的因素 首先是它的寿命 如果它们运行在高温环境 你可能达不到设计的系统寿命 电容器的寿命随着环境温度 每增加10度就要降低一倍 其次 电容器的阻抗在低温下也会迅速增加 例如低于-25度 ESR和电容量都会有10倍的变化 者都将会给你或你的设计 带来各种各样的问题 诸如低温启动问题等等 这就是我们今天介绍的电源小贴士 更多的电源小贴士 请参观Power Management DesignLine 然后搜寻Power Tips标题 或者点击上面的链接 到视频描述区的所有文章 谢谢大家的参与
课程介绍 共计1课时,5分25秒

电源设计小贴士50:铝电解电容器常见缺陷的规避方法

TI 开关电源 电源设计 电容器 电源管理设计贴士

因其低成本的特点,铝电解电容器一直都是电源的常用选择。但是,它们寿命有限,且易受高温和低温极端条件的影响。铝电解电容器在浸透电解液的纸片两面放置金属薄片。这种电解液会在电容器寿命期间蒸发,从而改变其电气属性。如果电容器失效,其会出现剧烈的反应:电容器中形成压力,迫使它释放出易燃、腐蚀性气体。

 

电解质蒸发的速度与电容器温度密切相关。工作温度每下降 10 摄氏度,电容器寿命延长一倍。电容器额定寿命通常为在其最大额定温度下得出的结果。典型的额定寿命为 105 摄氏度下 1000 小时。选择这些电容器用于 1 所示 LED 灯泡等长寿命应用时(LED 的寿命为 25000 小时),电容器的寿命便成了问题。要想达到 25000 小时寿命,这种电容器要求工作温度不超过 65 摄氏度。这种工作温度特别具有挑战性,因为在这种应用中,环境温度会超出 125 摄氏度。市场上有一些高额定温度的电容器,但是在大多数情况下,铝电解电容器都将成为 LED灯泡寿命的瓶颈组件。

 

这种 105℃ 电容器可能不会达到其声称的 23 年寿命

 1 这种 105 电容器可能不会达到其声称的 23 年寿命

 

这种寿命温度依赖度实际影响了您降低电容器额定电压的方法。您首先想到的可能是增加电容器额定电压来最小化电介质失效的机率。但是,这样做会使电容器的等效串联电阻 (ESR)更高。由于电容器一般会具有高纹波电流应力,因此这种高电阻会带来额外的内部功耗,并且增加电容器温度。故障率随温度升高而增加。实际上,铝电解电容器通常只使用其额定电压的 80% 左右。

 

电容器温度较低时,ESR 急剧增加,如 2 所示。在这种情况下,-40oC 下,电阻呈数量级增加。这在许多方面都会影响到电源性能。如果电容器用于开关式电源的输出端,则输出纹波电压呈数量级增加。另外,在 ESR 和输出电容形成的零以上频率,它让环路增益增加一个数量级,从而影响控制环路。这会产生一个有振荡的不稳定电源。为了适应这种强震动,控制环路通常会在空间方面做出巨大妥协,并在更高温度下工作。

 

低温下 ESR 性能急剧下降

 2 低温下 ESR 性能急剧下降

 

总之,铝电解电容器通常是最低成本的选择。但是,您需要确定其缺点是否会对应用产生不利影响。您需要通过其工作温度,考虑其寿命长短。另外,您还要适当地降低其额定电压,这样您才能实现最低温度运行,从而获得最长的使用寿命。最后,您需要理解必须使用的 ESR 范围,这样您才能正确地设计出控制环路,从而满足设计的纹波规范要求。

 

下次,我们将讨论一种低功耗离线式反向结构,敬请期待。

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