什么影響電解電容器的壽命？

如果你和一群設計工程師交談，你可能很快就會(huì )形成這樣一種觀(guān)點(diǎn)：電解電容器的名聲特別可疑。這種觀(guān)點(diǎn)當然沒(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(lèi)型的電容器中使用的電解液混合不當會(huì )導致設備過(guò)早故障，而且通常，焊接它們的多氯聯(lián)苯會(huì )出現“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節。

然而，盡管存在電容器瘟疫的問(wèn)題（維基百科報道稱(chēng)這是一次拙劣的工業(yè)間諜活動(dòng)，導致使用了不正確的電解液配方），本文的重點(diǎn)是幫助設計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計中都是必不可少的。

導致電解電容器劣化和失效的主要機制是隨著(zhù)時(shí)間的推移電解液的緩慢蒸發(fā)，當然，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)，因為隨著(zhù)ESR的上升，任何由于紋波電流而產(chǎn)生的自熱效應也會(huì )上升。這會(huì )導致顯著(zhù)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)施計劃維護的規則，即每隔幾年就用合適的更換部件更換電解電容器，特別是當系統用于關(guān)鍵應用時(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。此數據表用于B41888電容器，這是我在相當關(guān)鍵的產(chǎn)品中使用過(guò)的一個(gè)，它的預期壽命很長(cháng)。數據表摘要如下：

我用紅色突出顯示了相關(guān)區域。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行環(huán)境溫度保持在55以下°C、 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(cháng)°C至32 x 5000小時(shí)，55°C.現在已經(jīng)18年了，更加實(shí)用。

關(guān)于上面的數據表，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對于你設計的電容器，你可以期望它的最低初始值是800μF基于數據表中規定的設備20%公差。因此，在它的“有效壽命”結束時(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。作為設計師，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)設計師，你必須考慮到這個(gè)退化因素，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

對于B41888設備，數據表顯示“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，不應與之混淆損耗角正切. 作為參考，它也是Q因子的倒數。對于額定電壓為35伏的B41888設備，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(zhù)ESR為0.159Ω.

這個(gè)數字正好是1000個(gè)電容器μF、 但我們看到它可能高達0.199Ω 對于位于初始公差范圍低端的電容器（即800μF） 一。在它的壽命結束時(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)始你的設計μF（ESR為0.159Ω), 現在你可以得到一個(gè)480的電容器μF的ESR約為1Ω. 你的設計能應付這種情況嗎？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的壽命圖假設它是在全紋波電流下運行的。但是，您也可以在數據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%下運行（Y軸上為0.5），這相當于在當地環(huán)境溫度3°C下運行冷卻器。這是一個(gè)23%的潛在壽命增長(cháng)，有時(shí)，每多一點(diǎn)都可以算數。如果你需要推動(dòng)紋波電流的包絡(luò )線(xiàn)，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%的速度運行、 你仍然可以達到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)入的區域。

當工作電壓低于最大額定電壓時(shí)，您可以獲得相當可觀(guān)的壽命延長(cháng)。最保守的估計是，當部件在50%的額定電壓下工作時(shí)，壽命會(huì )翻倍。當然，當工作電壓接近最大額定電壓時(shí)，它會(huì )相應地變小。我已經(jīng)看到了不那么保守的估計，但是，由于制造商信息中沒(méi)有任何其他數據表明，我建議你堅持這種線(xiàn)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。

數據表中有許多方便的信息. 例如，對于我們在這里重點(diǎn)介紹的B41888電容器，數據表摘錄表明，盡管直徑為8 mm的設備壽命為5000小時(shí)，但直徑為12.5 mm（或更大）的設備在10000小時(shí)時(shí)的壽命是前者的兩倍。如果您的目標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，如果您的設計需要1000μF、 35伏元件，數據表會(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，如果應用程序以較低頻率運行，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(zhù)，對于120赫茲應用中的正確壽命評估，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 )電解電容器在預期壽命內的性能與故障率或 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”。當然，如果您設計的電路因電解電容器老化而停止工作，從用戶(hù)的角度來(lái)看，這肯定是設備故障。然而，設計者的失敗是沒(méi)有意識到組件的性能是如何隨著(zhù)時(shí)間的推移而自然降低的。換句話(huà)說(shuō)，這是一個(gè)設計故障，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 )因為它儲存的能量和周?chē)墓ぷ鳒囟榷档?，但離組件的使用壽命要低得多還差得遠。

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計通常需要. 由于電解液的化學(xué)性質(zhì)，沒(méi)有其他類(lèi)型的元件能提供相同的高電容和高電壓的組合。對于其他零部件，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)項目中，我需要使用20個(gè)并聯(lián)電解電容器（3300μF、 在最近的設計中創(chuàng )造了一個(gè)重要的儲能裝置。MTBF和MTBF的區別我會(huì )幫你理解的。電路接收到一個(gè)低毫安充電電流，但受到零星負載電流脈沖（以安培為單位）的影響。

關(guān)于整個(gè)存儲設備的使用壽命，我完全預計并行組件會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而退化。換言之，所有20個(gè)組件的壽命預計與單個(gè)設備的壽命相同。然而，對于平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF），單個(gè)器件的值需要除以20，因為元件是并聯(lián)的，20個(gè)元件中的任何一個(gè)都可能發(fā)生短路，從而導致器件的故障。