為什么要計算電容器壽命？

作者：Sven, Christian，文章來源： 儒卓力微信公眾號

電解電容器和聚合物混合電容器具有多項優(yōu)點，然而它們的使用壽命有限，用戶需要借助算法來確定其壽命。

電解電容器和聚合物混合電容器具有幾乎相同的設(shè)計：它們由陰極側(cè)和陽極側(cè)組成，而兩者均由鋁膜制成。陽極薄膜經(jīng)過氧化處理形成氧化鋁層，從而形成電介質(zhì)。兩片薄膜使用隔離紙卷起來，構(gòu)成卷繞元件（圖 1、圖 2）。

內(nèi)容

圖 2：電解電容器和聚合物電容器的基本設(shè)計

兩種電容器之間的區(qū)別在于填充過程所用的材料，這也是其名稱的由來：電解電容器填充有電解質(zhì)，而聚合物混合電容器則使用聚合電解質(zhì)或固體和液體聚合物的組合。

兩款電容器都具有諸多優(yōu)點，例如尺寸小但電容值高、成本低，以及適用于多種設(shè)計，例如SMD、THT 或卡入式(snap-in)設(shè)計。

與電解電容器相比，聚合物混合電容器具有更高的紋波電流容量，以及在低溫時內(nèi)阻較低，在高頻時電容更穩(wěn)定。這兩種電容器技術(shù)的缺點在于使用壽命有限。在運作過程中，電解質(zhì)或液態(tài)聚合物會縮減（圖 3）。

圖 3：電解液或液態(tài)聚合物在運作過程中擴散，導(dǎo)致電容器使用壽命縮短。Arrhenius方程可粗略估算電容器的使用壽命。

使用壽命的限制因素

影響電解電容器和聚合物混合電容器使用壽命的最大因素是電容器的內(nèi)核溫度，它隨著環(huán)境溫度和所施加紋波電流水平的增加而上升。此外，由于紋波電流過大而帶來的機械應(yīng)力也會損壞氧化層，導(dǎo)致自愈(self-healing)效應(yīng)而消耗額外的電解質(zhì)。自愈是電解電容器和聚合物混合電容器通過電解液和鋁之間的化學(xué)反應(yīng)來恢復(fù)氧化層的能力。電解質(zhì)收縮也會導(dǎo)致電氣參數(shù)惡化，例如電容以及等效串聯(lián)電阻 (ESR)和損耗因數(shù)等參數(shù)。

使用壽命結(jié)束通常是指數(shù)據(jù)表參數(shù)（通常是電容損耗和損耗因數(shù)百分比的增加）未達標的階段。

當在最終產(chǎn)品的目標運作期間找出電氣參數(shù)達標的電容器產(chǎn)品時，用戶可以使用Arrhenius方程進行初步評估。如圖 4 所示，使用壽命作為擴散系數(shù)函數(shù)，在很大程度上類似于Arrhenius方程。因此，根據(jù)經(jīng)驗法則可以表述如下：工作溫度降低50°F (10°C) 可讓使用壽命翻倍。

圖 4：Arrhenius 方程和經(jīng)驗法均表明，工作溫度每降低 50°F (10 C)，電容器的使用壽命就會增加一倍，兩者提供了幾乎一致的結(jié)果

Arrhenius 方程僅提供粗略的指導(dǎo)數(shù)值，因為沒有考慮到紋波電流對自熱效應(yīng)的顯著影響。

電容器供應(yīng)商提供支持

為了獲得精確的使用壽命計算數(shù)值，建議用戶與相應(yīng)的電容器供應(yīng)商合作。這項計算需要客戶提供任務(wù)配置文件，詳細說明相關(guān)溫度范圍內(nèi)的實際運行小時數(shù)。

圖 5：任務(wù)配置文件示例顯示供應(yīng)商需要哪些參數(shù)來準確地計算使用壽命

每家供應(yīng)商都對自有產(chǎn)品使用單獨的計算，其中包括溫度曲線和紋波電流負載。因此，供應(yīng)商可以使用客戶提供的任務(wù)配置文件進行詳細的使用壽命計算。

使用任務(wù)配置文件，供應(yīng)商可以根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用來評估和推薦電容器產(chǎn)品，這也可以防止使用超規(guī)格(over-specified) 也更昂貴的電容器產(chǎn)品。

冷卻操作確保更長的使用壽命

增加散熱器的表面積是改善散熱從而延長電容器壽命的好方法。例如，通過使用風(fēng)扇或水進行主動冷卻，可以確保更好的散熱效果。在驗證組件并計算使用壽命時，用戶可以考慮這類冷卻概念。

冷卻元件與電容器的連接也起著關(guān)鍵作用。

將冷卻元件直接連接到組件，通常比將其放置在電路板的另一側(cè)更有效。此外，還需要考慮電容器的外圍單元，因為它通過接腳同時輻射和吸收熱量，特別是附近安裝了功率半導(dǎo)體或其他發(fā)熱組件時，情況尤為如此。如果有經(jīng)驗數(shù)據(jù)（例如導(dǎo)通溫度、電流、電壓和頻率），便可以將這個熱量輸入納入使用壽命計算中。

如果用戶使用導(dǎo)熱膏或?qū)釅|，它們的熱阻則是決定性因素。數(shù)值越低，散熱效率越高。如果冷卻元件需要電氣隔離，應(yīng)當選擇絕緣導(dǎo)熱膏或合適的焊墊。

如果用戶希望自行進行計算或模擬，可以從供應(yīng)商處獲取從電容器的核心（繞組元件）到接腿以及封裝的熱阻模型。

如果完全了解散熱情況以及從頂蓋或 PCB 到冷卻元件的熱阻，則可以推斷出額外的散熱或供熱。一旦驗證可能的散熱，供應(yīng)商或會允許使用更高的電路板布局紋波電流，但前提是不超過供應(yīng)商規(guī)定的最大紋波電流，因為這會帶來電容器的機械負載。

圖 6：電容器的熱等效電路圖

結(jié)論

在選擇電容器產(chǎn)品時，建議使用Arrhenius方程來確定初始指導(dǎo)數(shù)值。通過使用任務(wù)配置文件，可以準確地計算應(yīng)用中所選電容器的使用壽命，這也考慮了由紋波電流引起的自熱程度。為了最大限度地延長電容器的使用壽命，用戶應(yīng)該研究可能的冷卻概念，并且在開發(fā)階段邀請供應(yīng)商或分銷商參與。

審核編輯 黃宇