電源設(shè)計(jì)小貼士 50：鋁電解電容器常見(jiàn)缺陷的規(guī)避方法

因其低成本的特點(diǎn)，鋁電解電容器一直都是電源的常用選擇。但是，它們壽命有限，且易受高溫和低溫極端條件的影響。鋁電解電容器在浸透電解液的紙片兩面放置金屬薄片。這種電解液會(huì)在電容器壽命期間蒸發(fā)，從而改變其電氣屬性。如果電容器失效，其會(huì)出現(xiàn)劇烈的反應(yīng)：電容器中形成壓力，迫使它釋放出易燃、腐蝕性氣體。

電解質(zhì)蒸發(fā)的速度與電容器溫度密切相關(guān)。工作溫度每下降 10 攝氏度，電容器壽命延長(zhǎng)一倍。電容器額定壽命通常為在其最大額定溫度下得出的結(jié)果。典型的額定壽命為 105 攝氏度下 1000 小時(shí)。選擇這些電容器用于圖 1 所示 LED 燈泡等長(zhǎng)壽命應(yīng)用時(shí)(LED 的壽命為 25000 小時(shí))，電容器的壽命便成了問(wèn)題。要想達(dá)到 25000 小時(shí)壽命，這種電容器要求工作溫度不超過(guò) 65 攝氏度。這種工作溫度特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵谶@種應(yīng)用中，環(huán)境溫度會(huì)超出 125 攝氏度。市場(chǎng)上有一些高額定溫度的電容器，但是在大多數(shù)情況下，鋁電解電容器都將成為 LED 燈泡壽命的瓶頸組件。

圖 1 這種 105℃ 電容器可能不會(huì)達(dá)到其聲稱(chēng)的 23 年壽命

這種壽命溫度依賴(lài)度實(shí)際影響了您降低電容器額定電壓的方法。您首先想到的可能是增加電容器額定電壓來(lái)最小化電介質(zhì)失效的機(jī)率。但是，這樣做會(huì)使電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 更高。由于電容器一般會(huì)具有高紋波電流應(yīng)力，因此這種高電阻會(huì)帶來(lái)額外的內(nèi)部功耗，并且增加電容器溫度。故障率隨溫度升高而增加。實(shí)際上，鋁電解電容器通常只使用其額定電壓的 80% 左右。

電容器溫度較低時(shí)，ESR 急劇增加，如圖 2 所示。在這種情況下，-40oC 下，電阻呈數(shù)量級(jí)增加。這在許多方面都會(huì)影響到電源性能。如果電容器用于開(kāi)關(guān)式電源的輸出端，則輸出紋波電壓呈數(shù)量級(jí)增加。另外，在 ESR 和輸出電容形成的零以上頻率，它讓環(huán)路增益增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而影響控制環(huán)路。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有振蕩的不穩(wěn)定電源。為了適應(yīng)這種強(qiáng)震動(dòng)，控制環(huán)路通常會(huì)在空間方面做出巨大妥協(xié)，并在更高溫度下工作。

圖 2 低溫下 ESR 性能急劇下降

總之，鋁電解電容器通常是最低成本的選擇。但是，您需要確定其缺點(diǎn)是否會(huì)對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。您需要通過(guò)其工作溫度，考慮其壽命長(zhǎng)短。另外，您還要適當(dāng)?shù)亟档推漕~定電壓，這樣您才能實(shí)現(xiàn)最低溫度運(yùn)行，從而獲得最長(zhǎng)的使用壽命。最后，您需要理解必須使用的 ESR 范圍，這樣您才能正確地設(shè)計(jì)出控制環(huán)路，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的紋波規(guī)范要求。