電容應(yīng)用實(shí)踐：從設(shè)計(jì)選型到壽命分析
來源：ZLG致遠(yuǎn)電子
摘要：開關(guān)電源的壽命很大程度受到電解電容的制約，而電解電容的壽命取決于其內(nèi)核溫升。本文從紋波電流計(jì)算、紋波電流實(shí)測、電解電容選型、溫度測試方法、壽命估算等方面，對電解電容作了全面的分析。
開關(guān)電源的壽命很大程度受到電解電容的制約，而電解電容的壽命取決于其內(nèi)核溫升。本文從紋波電流計(jì)算、紋波電流實(shí)測、電解電容選型、溫度測試方法、壽命估算等方面，對電解電容作了全面的分析。
紋波電流產(chǎn)生的熱量引起電容的內(nèi)部溫升，加速電解液的蒸發(fā)，當(dāng)容值下降20%或損耗角增大為初始值的2~3倍時(shí)，預(yù)示著電解電容壽命的終結(jié)。通過檢查電容器上的紋波電流，可預(yù)測電容器的壽命。本文以連續(xù)工作模式的反激變換器輸出電容分析為例，重點(diǎn)從紋波電流角度全面分析電解電容的選型與壽命。
1、紋波電流計(jì)算
假設(shè)已知連續(xù)工作模式的反激變換器，其輸出電流Io為1.25A，紋波率r為1.1，占空比D為0.62，開關(guān)頻率為60kHz，由此可以計(jì)算次級紋波電流ΔIo和有效值電流Io.rms。
次級紋波電流ΔIo：
有效值電流Io.rms：
最終得到流過輸出電容的紋波電流：
圖1直觀的顯示了該電容的紋波電流波形：
圖1 紋波電流波形
2、電解電容選型
由上述計(jì)算分析得到流過電容的紋波電流為1.72A，綜合考慮體積和成本，選擇了紋波電流為1.655A的電解電容。
該紋波電流需在電源開關(guān)頻率下選擇，如下圖某廠家電容手冊的紋波電流有頻率因子，不同頻率下的紋波電流不同。高頻低阻電容均會給出100kHz下的紋波電流，本設(shè)計(jì)開關(guān)頻率為60kHz，頻率因子為0.96~1之間，在此取1即可。
圖2 電容紋波電流頻率因子
注：紋波電流還有一個(gè)溫度系數(shù)，例如105℃電容，在85℃環(huán)境溫度下，允許的最大紋波電流約為額定最大紋波電流的1.73倍，該參數(shù)一般不在電容手冊中體現(xiàn)。
3、紋波電流實(shí)測
測試電解電容紋波電流時(shí)，需將電容引腳穿入電流探頭中，通過示波器可讀得交流有效值。本設(shè)計(jì)實(shí)例的紋波電流測試結(jié)果如圖3所示，示波器讀得有效紋波電流為1.64A，與理論設(shè)計(jì)接近。因此理論計(jì)算具有較大的工程指導(dǎo)意義。
圖3 實(shí)測電容紋波電流
4、溫度測試方法
測量容體表面溫度Ts：需在電容器側(cè)面的中間位置進(jìn)行，如果由于外部影響導(dǎo)致電容器表面溫度不均勻、不穩(wěn)定，需綜合測量電容器表面4個(gè)點(diǎn)的溫度，再取平均值。
測量環(huán)境溫度Tx：熱電偶需放置在離鋁殼表面20毫米左右處，如果空間不足，則保持最小10毫米距離，如果由于外部影響導(dǎo)致附近環(huán)境溫度不均勻、不穩(wěn)定，則需綜合測量4個(gè)點(diǎn)以上的溫度，再取平均值。
圖4 環(huán)境溫度與表面溫度測量
5、電解電容壽命估算
本設(shè)計(jì)，選擇的電解電容為-40~105℃、5000小時(shí)、1.655A紋波電流的高頻低阻電解電容，最高實(shí)測環(huán)境溫度Tx為80℃，殼體表面溫度Ts為85℃。則其壽命估算如下步驟如下。
（1）估算實(shí)際內(nèi)核溫升：
其中：
△To為To時(shí)允許的內(nèi)核溫升，即額定紋波電流時(shí)的電容器芯子溫升，此次選擇的105℃電容△To為5℃，可查原廠或行業(yè)資料得到；
△Tx為實(shí)際內(nèi)核溫升；
Ix為實(shí)際紋波電流1.64A；
Io為額定紋波電流1.655A。
（2）估算電容壽命：
其中：
Lo為額定壽命5000小時(shí)；
To為最高額定工作環(huán)境溫度105℃；
Tx為實(shí)際環(huán)境溫度80℃。
當(dāng)由于環(huán)境因素影響，Tx不易獲得時(shí)，可用Ts替代，這可以進(jìn)一步提供安全余量保證產(chǎn)品售壽命。
紋波電流產(chǎn)生的熱量引起電容的內(nèi)部溫升，加速電解液的蒸發(fā)，當(dāng)容值下降20%或損耗角增大為初始值的2~3倍時(shí)，預(yù)示著電解電容壽命的終結(jié)。通過檢查電容器上的紋波電流，可預(yù)測電容器的壽命。本文以連續(xù)工作模式的反激變換器輸出電容分析為例，重點(diǎn)從紋波電流角度全面分析電解電容的選型與壽命。
1、紋波電流計(jì)算
假設(shè)已知連續(xù)工作模式的反激變換器，其輸出電流Io為1.25A，紋波率r為1.1，占空比D為0.62，開關(guān)頻率為60kHz，由此可以計(jì)算次級紋波電流ΔIo和有效值電流Io.rms。
次級紋波電流ΔIo：
有效值電流Io.rms：
最終得到流過輸出電容的紋波電流：
圖1直觀的顯示了該電容的紋波電流波形：
圖1 紋波電流波形
2、電解電容選型
由上述計(jì)算分析得到流過電容的紋波電流為1.72A，綜合考慮體積和成本，選擇了紋波電流為1.655A的電解電容。
該紋波電流需在電源開關(guān)頻率下選擇，如下圖某廠家電容手冊的紋波電流有頻率因子，不同頻率下的紋波電流不同。高頻低阻電容均會給出100kHz下的紋波電流，本設(shè)計(jì)開關(guān)頻率為60kHz，頻率因子為0.96~1之間，在此取1即可。
圖2 電容紋波電流頻率因子
注：紋波電流還有一個(gè)溫度系數(shù)，例如105℃電容，在85℃環(huán)境溫度下，允許的最大紋波電流約為額定最大紋波電流的1.73倍，該參數(shù)一般不在電容手冊中體現(xiàn)。
3、紋波電流實(shí)測
測試電解電容紋波電流時(shí)，需將電容引腳穿入電流探頭中，通過示波器可讀得交流有效值。本設(shè)計(jì)實(shí)例的紋波電流測試結(jié)果如圖3所示，示波器讀得有效紋波電流為1.64A，與理論設(shè)計(jì)接近。因此理論計(jì)算具有較大的工程指導(dǎo)意義。
圖3 實(shí)測電容紋波電流
4、溫度測試方法
測量容體表面溫度Ts：需在電容器側(cè)面的中間位置進(jìn)行，如果由于外部影響導(dǎo)致電容器表面溫度不均勻、不穩(wěn)定，需綜合測量電容器表面4個(gè)點(diǎn)的溫度，再取平均值。
測量環(huán)境溫度Tx：熱電偶需放置在離鋁殼表面20毫米左右處，如果空間不足，則保持最小10毫米距離，如果由于外部影響導(dǎo)致附近環(huán)境溫度不均勻、不穩(wěn)定，則需綜合測量4個(gè)點(diǎn)以上的溫度，再取平均值。
圖4 環(huán)境溫度與表面溫度測量
5、電解電容壽命估算
本設(shè)計(jì)，選擇的電解電容為-40~105℃、5000小時(shí)、1.655A紋波電流的高頻低阻電解電容，最高實(shí)測環(huán)境溫度Tx為80℃，殼體表面溫度Ts為85℃。則其壽命估算如下步驟如下。
（1）估算實(shí)際內(nèi)核溫升：
其中：
△To為To時(shí)允許的內(nèi)核溫升，即額定紋波電流時(shí)的電容器芯子溫升，此次選擇的105℃電容△To為5℃，可查原廠或行業(yè)資料得到；
△Tx為實(shí)際內(nèi)核溫升；
Ix為實(shí)際紋波電流1.64A；
Io為額定紋波電流1.655A。
（2）估算電容壽命：
其中：
Lo為額定壽命5000小時(shí)；
To為最高額定工作環(huán)境溫度105℃；
Tx為實(shí)際環(huán)境溫度80℃。
當(dāng)由于環(huán)境因素影響，Tx不易獲得時(shí)，可用Ts替代，這可以進(jìn)一步提供安全余量保證產(chǎn)品售壽命。