什么会影响電(diàn)解電(diàn)容器的使用(yòng)寿命？

2021-04-14

什么会影响電(diàn)解電(diàn)容器的使用(yòng)寿命？

如果与一群设计工程师交谈，您可(kě)能(néng)会很(hěn)快形成一种观点，认為(wèi)電(diàn)解電(diàn)容器具有(yǒu)特别可(kě)疑的声誉。在新(xīn)千年的头几年发生的所谓“電(diàn)容器灾难”当然并没有(yǒu)帮助这种观点。这些类型的電(diàn)容器中使用(yòng)的電(diàn)解质混合物(wù)有(yǒu)缺陷，会导致设备过早失效，而且经常会在焊接它们的PCB上产生“一团糟”。由于使用(yòng)某些品牌的“受灾”電(diàn)容器的商(shāng)品的引人注目的性质，这成為(wèi)了一个重大新(xīn)闻。

但是，尽管存在電(diàn)容器灾难的问题，但本文(wén)还是致力于帮助设计人员了解如何获得更多(duō)年的使用(yòng)价值。電(diàn)解電(diàn)容器的使用(yòng)寿命。我们不会比较各种组件的電(diàn)解電(diàn)容器寿命值。最重要的是，您能(néng)得到所需要的，而无论您是否喜欢，電(diàn)解電(diàn)容器在许多(duō)设计中都是必不可(kě)少的。

什么原因导致電(diàn)解電(diàn)容器故障？

导致電(diàn)解電(diàn)容器退化和故障的主要机理(lǐ)是電(diàn)解液随时间的缓慢蒸发，当然，在较高温度下这种情况会变得更糟。这导致较低的電(diàn)容和较高的有(yǒu)效串联電(diàn)阻（ESR）。这是一个恶性循环，因為(wèi)随着ESR的上升，由于纹波電(diàn)流引起的任何自热效应也会上升。然后，这可(kě)能(néng)导致明显的局部温度升高，从而进一步加剧该问题。过去，这已经影响了一些公司实施计划内维护的规则，该规则要求每隔几年更换一次電(diàn)解電(diàn)容器，并更换合适的更换组件，尤其是在关键应用(yòng)中使用(yòng)该系统时。

電(diàn)容器规格

您通常会看到電(diàn)解電(diàn)容器的寿命数字如5000小(xiǎo)时。我们将使用(yòng)TDK（以前為(wèi)EPCOS）数据表作為(wèi)如何解释此信息的示例。本数据表适用(yòng)于B41888電(diàn)容器，这是我在预期寿命很(hěn)長(cháng)的相当关键的产品中使用(yòng)的電(diàn)容器。数据表摘要如下：

我用(yòng)红色突出显示了相关區(qū)域。它告诉您，直径為(wèi)8毫米的電(diàn)容器将提供5000小(xiǎo)时的使用(yòng)寿命。生命只有(yǒu)208天，从表面上看，这是一个非常低的价值。但是，该数字适用(yòng)于105°C的工作温度。如果工作温度比95°C低10°C，则使用(yòng)寿命将增加一倍。温度每低于105°C，温度每降低10°C，温度将翻一番。因此，如果将特定電(diàn)路中電(diàn)容器的运行环境温度维持在55°C以下，则可(kě)以使用(yòng)以下公式计算实际寿命：

实际使用(yòng)寿命= [105°C时的使用(yòng)寿命]∙2x 

其中“ x”是（105°C-T ACTUAL）除以10。在55°C时，“ x” = 5，因此有(yǒu)效寿命从105°C的5,000小(xiǎo)时延長(cháng)到55°C的32 x 5000小(xiǎo)时℃。到现在已经18年了，更加实用(yòng)了。

“有(yǒu)效寿命”是什么意思？

关于上面的数据表，右侧突出显示的列通知您，電(diàn)容可(kě)能(néng)会从其原始值下降到一个值，该值可(kě)能(néng)会在该组件的使用(yòng)寿命内降低多(duō)达40％。因此，如果您在设计中选择一个1000μF電(diàn)容器，则根据数据手册中规定的器件20％容差，可(kě)以预期其最低初始值為(wèi)800μF。因此，在其“可(kě)用(yòng)寿命”结束时，最坏的情况是它可(kě)能(néng)已降至该800μF初始值（仅為(wèi)480μF）的60％。作為(wèi)设计师，只有(yǒu)您可(kě)以说这是否将為(wèi)您的产品提供足够的使用(yòng)寿命。至关重要的是，作為(wèi)设计师，您必须考虑此降级因素。

耗散因数

对于B41888器件，数据表告诉我们，“棕褐色”在整个使用(yòng)寿命中可(kě)能(néng)会增加三倍。Tan是耗散因数，或者是ESR与電(diàn)容電(diàn)抗之比，不应将其与损耗角正切相混淆。作為(wèi)参考，它也是Q因子的倒数。对于额定值為(wèi)35伏的B41888器件，tan在120 Hz时列出為(wèi)0.12。1000μF電(diàn)容器在120 Hz时的電(diàn)抗為(wèi)1.326Ω，这意味着ESR為(wèi)0.159Ω。

这就是正好為(wèi)1000μF的電(diàn)容器的数字，但是我们已经看到，位于初始容差范围的低端（即800μF）的電(diàn)容器可(kě)能(néng)高达0.199Ω。在使用(yòng)寿命结束时，我们已经看到電(diàn)容可(kě)能(néng)仅為(wèi)480 F，因此，ESR可(kě)能(néng)会上升至0.332Ω。最后，由于棕褐色在整个使用(yòng)寿命中会降低三倍，因此ESR可(kě)能(néng)会增加至0.995Ω。 

您的设计始于标称值為(wèi)1000μF（ESR為(wèi)0.159Ω）的電(diàn)容器，现在可(kě)以得到480μF且ESR约為(wèi)1Ω的電(diàn)容器。您的设计是否可(kě)以应对？它将如何影响性能(néng)？提示-在这种情况下，仿真工具是您的盟友；用(yòng)它们来观察效果。

影响電(diàn)解電(diàn)容器寿命的其他(tā)因素

纹波電(diàn)流

B41888的寿命图假定其在全纹波電(diàn)流下工作。但是，您也可(kě)以在数据表中找到此有(yǒu)用(yòng)的图表，该图表适用(yòng)于直径為(wèi)8 mm的電(diàn)容器：

如果您选择在额定纹波電(diàn)流的50％（Y轴上為(wèi)0.5）下运行，则相当于在本地环境温度低3°C的条件下运行。使用(yòng)寿命可(kě)能(néng)增加23％，有(yǒu)时，每增加一点点就可(kě)以计数。如果您需要在纹波電(diàn)流上施加包络，您还可(kě)以从该图中获得所需的信息。例如，如果您在65°C的额定额定纹波電(diàn)流下以50％的频率运行组件，则仍将达到100,000小(xiǎo)时的使用(yòng)寿命，这是在71°C的额定纹波電(diàn)流的一半下运行时的使用(yòng)寿命。重要的是要注意，如果您不想损坏组件，则图形的变暗部分(fēn)是禁止通过的區(qū)域。

工作電(diàn)压

当工作電(diàn)压低于最大额定電(diàn)压时，可(kě)以延長(cháng)使用(yòng)寿命。最保守的估计是，当组件在额定電(diàn)压的50％下工作时，寿命会增加一倍。当然，当工作電(diàn)压接近最大额定電(diàn)压时，它会成比例地变小(xiǎo)。我看到的保守估计较少，但是，如果制造商(shāng)的信息中没有(yǒu)任何数据可(kě)以提供其他(tā)建议，我建议您坚持这种線(xiàn)性关系，并且不要指望寿命会再增加一倍，而不会进一步改善。 

阅读数据表

例如，对于我们在此重点介绍的B41888電(diàn)容器，数据表摘录显示，尽管直径為(wèi)8毫米的设备的使用(yòng)寿命為(wèi)5,000小(xiǎo)时，但直径為(wèi)12.5毫米（或更大）的设备在10,000小(xiǎo)时的寿命是其两倍。如果您的電(diàn)容目标值允许选择直径，并且板上有(yǒu)空间，那么选择较大的零件以提高使用(yòng)寿命将是有(yǒu)益的。例如，如果您选择了一个100μF，35伏的组件，该组件打算在30伏的電(diàn)压下运行，那么通过选择63伏的额定部分(fēn)，您将获得良好的使用(yòng)寿命。 

35伏部分(fēn)的直径為(wèi)8毫米，而63伏部分(fēn)的直径為(wèi)10毫米。但是，该10毫米部件的使用(yòng)寿命為(wèi)7,000小(xiǎo)时，仅以48％的额定電(diàn)压运行就可(kě)以翻倍至14,000小(xiǎo)时。8毫米部件的使用(yòng)寿命為(wèi)5,000小(xiǎo)时，如果在30伏特下工作，则只能(néng)增加到5833小(xiǎo)时。因此，相对较小(xiǎo)的直径增加2毫米，可(kě)以显着延長(cháng)使用(yòng)寿命。

另一个需要考虑的因素是纹波频率和纹波電(diàn)流额定值之间的关系。例如，如果您的设计需要一个1000μF，35伏的组件，则数据手册将告诉您它在105°C时具有(yǒu)2.459 amps的额定纹波電(diàn)流，但这是在指定的100 kHz下产生的。因此，如果应用(yòng)程序以较低的频率运行，则必须使用(yòng)下图确定效果：

 

在低频（例如120 Hz）下，额定纹波電(diàn)流仅為(wèi)100 kHz时的值的65％。这意味着，為(wèi)了在120 Hz应用(yòng)中进行正确的寿命评估，您只能(néng)使用(yòng)额定值更高的仅1.598安培的纹波電(diàn)流。 

失败率

不要将電(diàn)解電(diàn)容器的性能(néng)在其预期的使用(yòng)寿命内逐渐降低视為(wèi)与故障率或MTBF有(yǒu)关。任何電(diàn)子组件的突然和意外故障都与组件可(kě)能(néng)“老化”的方式不同。当然，如果您设计的電(diàn)路由于電(diàn)解電(diàn)容器的老化而停止工作，那么从用(yòng)户的角度来看，这肯定是设备故障。但是，设计人员的失败并不是无法识别组件的性能(néng)随时间自然下降的情况。换句话说，这是设计失败，而不是组件失败。

電(diàn)解電(diàn)容器的MTBF将以百万小(xiǎo)时為(wèi)单位进行测量。尽管这可(kě)以通过存储的能(néng)量和环境工作温度来降低，但仍遠(yuǎn)未达到组件的低得多(duō)的使用(yòng)寿命。

為(wèi)什么要完全使用(yòng)電(diàn)解電(diàn)容器？

如果電(diàn)解质有(yǒu)这样的问题，為(wèi)什么要广泛使用(yòng)呢(ne)？有(yǒu)多(duō)种原因，但其中最主要的是電(diàn)源设计通常需要的具有(yǒu)高電(diàn)容的高额定電(diàn)压的能(néng)力。由于電(diàn)解中的化學(xué)成分(fēn)，没有(yǒu)其他(tā)组件类型可(kě)以為(wèi)您提供高電(diàn)容和高電(diàn)压的相同组合。对于其他(tā)组件，零件要么在物(wù)理(lǐ)上变得很(hěn)大，要么需要并行放置大量零件。

在过去的一个项目中，我需要使用(yòng)20个并联的電(diàn)解電(diàn)容器（3,300μF，35伏）在最近的设计中创建一个重要的储能(néng)设备。我之所以提及这一点，是因為(wèi)它可(kě)以帮助您了解寿命和MTBF之间的區(qū)别。電(diàn)路接收到低mA的充電(diàn)電(diàn)流，但会受到零星的负载電(diàn)流脉冲（以安培為(wèi)单位）的测量。 

关于整个存储设备的使用(yòng)寿命，我完全希望并行组件随时间推移平均退化。换句话说，所有(yǒu)20个组件的寿命预计将与单个设备的寿命相同。但是，对于MTBF，单个设备的值将需要除以20，因為(wèi)组件是并联的，并且20个组件中的任何一个都可(kě)能(néng)无法短路，这将导致设备故障。

在哪里找到可(kě)靠的零件

我们在本文(wén)开头提到的電(diàn)容器瘟疫问题被认為(wèi)是“适当的故障”（即与故障率有(yǒu)关），并且与使用(yòng)寿命内的组件磨损不同。滴水的水龙头是否会导致浴室故障？答(dá)案显然是“不”，通常只是正常的磨损而已，这是可(kě)以预期的。