作為電子產(chǎn)品的重要部件電解電容，在開關電源中起著不可或缺的作用，它的使用壽命和工作狀況與開關電源的壽命息息相關。在大量的生產(chǎn)實踐與理論探討中，當開關電源中電容發(fā)生損壞，特別是電解電容冒頂，電解液外溢時，電源廠家懷疑電容質量有問題，而電容廠家說電源設計不當，雙方爭執(zhí)不下。以下就電解電容的使用壽命和使用安全作些分析,給電子工程師提供一些判斷依據(jù)。

 1 阿列紐斯(Arrhenius)

  1.1 阿列紐斯方程

阿列紐斯方程是用來描述化學物質反應速率隨溫度變化關系的經(jīng)驗公式。電解電容內部是由金屬鋁等和電解液等化學物質組成的,所以電解電容的壽命與阿列紐斯方程密切相關。

阿列紐斯方程公式： k=Ae－Ea/RT 或lnk=lnA—Ea／RT (作圖法)

●K 化學反應速率

●R 為摩爾氣體常量

●T 為熱力學溫度

●Ea 為表觀活化能

●A 為頻率因子

1.2 阿列紐斯結論

根據(jù)阿列紐斯方程可知,溫度升高，化學反應速率（壽命消耗）增大，一般來說，環(huán)境溫度每升高10℃，化學反應速率(K 值) 將增大2-10 倍，即電容工作溫度每升高10℃，電容壽命減小一倍,電容工作溫度每下降10℃，其壽命增加一倍，所以,環(huán)境溫度是影響電解電容壽命的重要因素。

 

2 電解電容使用壽命分析

1)公式:

 

根據(jù)阿列紐斯方程結論可知，電解電容使用壽命計算公式如下：

●L 環(huán)境溫度為T 時電解電容使用壽命（hour）

●L0 最大溫度時電解電容的額定壽命(hour)

●T0 電解電容額定最高使用溫度（deg℃）

●T 環(huán)境溫度（deg℃）

●T0-T 溫升（deg℃）

2)分析:

根據(jù)公式(1)可知

當電解電容工作溫度在最高使用溫度工作時(即T0=T)時,由公式(1)計算得到電解電容最小使用壽命為L=L₀×2⁰=L₀即等于額定壽命,比如 8000小時，8000/8760=0.9年。

當電解電容工作溫度低于最高使用溫度10℃時,由公式(1)計算得到電解電容使用壽命為L=L₀×2^{[T0-(T0-10℃）]/10℃}=L₀×2¹即等于額定壽命的2倍,即16000小時,16000/8760=1.8264年。

可見,電解電容使用壽命計算公式符合阿列紐斯方程結論

 

3 電解電容使用壽命計算

在電子產(chǎn)品中，影響電解電容壽命的因素有環(huán)境溫度T 和紋波電流I_rms。

電容承擔的負載功率與紋波電流成正比，負載越大，紋波電流越大(電解充放電越深)，內部氧化膜分解時發(fā)熱越厲害，修補時電解液消耗越多。見圖1

 

紋波電流越大引起的發(fā)熱越大，所以紋波電流引起的發(fā)熱在電解電容壽命計算中要考慮。

3.1 紋波電流計算

1)電容容量

2)充電時間

3)放電時間

4)充電電流

5)放電電流

6)紋波電流

3.2 功率損耗計算

3.3 電解電容發(fā)熱公式

 

達到熱平衡時容器中心溫度T0 和環(huán)境溫度T 的溫升由散熱方式（空氣散熱、容器散熱）和耗散功率PD 決定，用熱阻來描述，熱阻(Thermal Resistance)Rq ，單位（℃/W）：  

●△T 加紋波電流I 時電解電容自身發(fā)熱（deg℃）

● I 實際工作紋波電流（A rms）,

●β散熱系數(shù)（W/℃ Cm2）

●S電解電容的表面積（cm2）

●R 電解電容等效阻抗（ESR Ω）

3.4 合成紋波電流計算

因為實際電路中,紋波電流包含有各種頻率波形的紋波電流,所以對實際電路紋波電流的計算應該由合成紋波電流Irms 得到：

3.5 額定工作溫度

電解電容的行業(yè)規(guī)定，在額定溫度T0下，加上允許額定紋波電流I 產(chǎn)生的最大發(fā)熱△t≤5 deg℃

因此實際紋波電流為Ir 時，電容器自身的發(fā)熱是

●△t 為額定溫度下加上額定紋波電流時電容器允許最大溫升（deg℃）

●Ir 電容器額定紋波電流（Arms）

●I 為（計算的）實際工作紋波電流（ Arms）

3.6 電解電容壽命計算

由上面的分析可知,考慮紋波電流后的電解電容的壽命計算公式最后為:

●T0 為額定溫度(比如105℃)

●Δt 為額定溫度時最大允許溫升5℃

●T 為環(huán)境工作溫度(比如55℃)

●ΔT 為T 溫度時紋波電流產(chǎn)生的發(fā)熱值(比如20℃)

 

4 舉例

一電容ED33uF/200V/105℃，額定壽命L0=8000 小時，允許紋波電流I=195mA/120Hz,在環(huán)境為55℃的110V/60Hz 電路中應用。

1.三角波

2.弦波

3.合成

4.發(fā)熱

5.壽命

 

1)不考慮紋波電流的使用壽命

2)考慮紋波電流的實際使用壽命

 

5 結論

由上面例子計算可知,紋波電流對電解電容壽命的影響是非常大的,電路工程師在設計使用電解電容時,不但要考慮電容工作的環(huán)境溫度,還要考慮電路紋波電流對電解電容壽命帶來的影響,盡可能的延長電解電容的使用壽命。

 

電路呈容性或強感性會影響到三極管等安全切換,使晶體管損耗加重,發(fā)熱增大，并在電解電容上疊加有很高的單尖鋒紋波電流，充放電紋波電流變窄變高，最后使電解電容嚴重發(fā)熱直至損壞,表現(xiàn)為冒頂﹑冒汽﹑漏液或爆炸。

 

盡量選擇質量好的電解電容，密封性能好的電容，切不可使用壽命減半的拆件電解電容。給電解電容一個安全的工作環(huán)境，合理的設計，才是解決電解電容冒頂﹑冒汽﹑漏液以延長壽命的解決之道。