什么会影响电解电容器的使用寿命？

2021-04-14

什么会影响电解电容器的使用寿命？

如果与一群设计工程师交谈，您可能会很快形成一种观点，认为电解电容器具有特别可疑的声誉。在新千年的头几年发生的所谓“电容器灾难”当然并没有帮助这种观点。这些类型的电容器中使用的电解质混合物有缺陷，会导致设备过早失效，而且经常会在焊接它们的PCB上产生“一团糟”。由于使用某些品牌的“受灾”电容器的商品的引人注目的性质，这成为了一个重大新闻。

但是，尽管存在电容器灾难的问题，但本文还是致力于帮助设计人员了解如何获得更多年的使用价值。电解电容器的使用寿命。我们不会比较各种组件的电解电容器寿命值。最重要的是，您能得到所需要的，而无论您是否喜欢，电解电容器在许多设计中都是必不可少的。

什么原因导致电解电容器故障？

导致电解电容器退化和故障的主要机理是电解液随时间的缓慢蒸发，当然，在较高温度下这种情况会变得更糟。这导致较低的电容和较高的有效串联电阻（ESR）。这是一个恶性循环，因为随着ESR的上升，由于纹波电流引起的任何自热效应也会上升。然后，这可能导致明显的局部温度升高，从而进一步加剧该问题。过去，这已经影响了一些公司实施计划内维护的规则，该规则要求每隔几年更换一次电解电容器，并更换合适的更换组件，尤其是在关键应用中使用该系统时。

电容器规格

您通常会看到电解电容器的寿命数字如5000小时。我们将使用TDK（以前为EPCOS）数据表作为如何解释此信息的示例。本数据表适用于B41888电容器，这是我在预期寿命很长的相当关键的产品中使用的电容器。数据表摘要如下：

我用红色突出显示了相关区域。它告诉您，直径为8毫米的电容器将提供5000小时的使用寿命。生命只有208天，从表面上看，这是一个非常低的价值。但是，该数字适用于105°C的工作温度。如果工作温度比95°C低10°C，则使用寿命将增加一倍。温度每低于105°C，温度每降低10°C，温度将翻一番。因此，如果将特定电路中电容器的运行环境温度维持在55°C以下，则可以使用以下公式计算实际寿命：

实际使用寿命= [105°C时的使用寿命]∙2x 

其中“ x”是（105°C-T ACTUAL）除以10。在55°C时，“ x” = 5，因此有效寿命从105°C的5,000小时延长到55°C的32 x 5000小时℃。到现在已经18年了，更加实用了。

“有效寿命”是什么意思？

关于上面的数据表，右侧突出显示的列通知您，电容可能会从其原始值下降到一个值，该值可能会在该组件的使用寿命内降低多达40％。因此，如果您在设计中选择一个1000μF电容器，则根据数据手册中规定的器件20％容差，可以预期其最低初始值为800μF。因此，在其“可用寿命”结束时，最坏的情况是它可能已降至该800μF初始值（仅为480μF）的60％。作为设计师，只有您可以说这是否将为您的产品提供足够的使用寿命。至关重要的是，作为设计师，您必须考虑此降级因素。

耗散因数

对于B41888器件，数据表告诉我们，“棕褐色”在整个使用寿命中可能会增加三倍。Tan是耗散因数，或者是ESR与电容电抗之比，不应将其与损耗角正切相混淆。作为参考，它也是Q因子的倒数。对于额定值为35伏的B41888器件，tan在120 Hz时列出为0.12。1000μF电容器在120 Hz时的电抗为1.326Ω，这意味着ESR为0.159Ω。

这就是正好为1000μF的电容器的数字，但是我们已经看到，位于初始容差范围的低端（即800μF）的电容器可能高达0.199Ω。在使用寿命结束时，我们已经看到电容可能仅为480 F，因此，ESR可能会上升至0.332Ω。最后，由于棕褐色在整个使用寿命中会降低三倍，因此ESR可能会增加至0.995Ω。 

您的设计始于标称值为1000μF（ESR为0.159Ω）的电容器，现在可以得到480μF且ESR约为1Ω的电容器。您的设计是否可以应对？它将如何影响性能？提示-在这种情况下，仿真工具是您的盟友；用它们来观察效果。

影响电解电容器寿命的其他因素

纹波电流

B41888的寿命图假定其在全纹波电流下工作。但是，您也可以在数据表中找到此有用的图表，该图表适用于直径为8 mm的电容器：

如果您选择在额定纹波电流的50％（Y轴上为0.5）下运行，则相当于在本地环境温度低3°C的条件下运行。使用寿命可能增加23％，有时，每增加一点点就可以计数。如果您需要在纹波电流上施加包络，您还可以从该图中获得所需的信息。例如，如果您在65°C的额定额定纹波电流下以50％的频率运行组件，则仍将达到100,000小时的使用寿命，这是在71°C的额定纹波电流的一半下运行时的使用寿命。重要的是要注意，如果您不想损坏组件，则图形的变暗部分是禁止通过的区域。

工作电压

当工作电压低于最大额定电压时，可以延长使用寿命。最保守的估计是，当组件在额定电压的50％下工作时，寿命会增加一倍。当然，当工作电压接近最大额定电压时，它会成比例地变小。我看到的保守估计较少，但是，如果制造商的信息中没有任何数据可以提供其他建议，我建议您坚持这种线性关系，并且不要指望寿命会再增加一倍，而不会进一步改善。 

阅读数据表

例如，对于我们在此重点介绍的B41888电容器，数据表摘录显示，尽管直径为8毫米的设备的使用寿命为5,000小时，但直径为12.5毫米（或更大）的设备在10,000小时的寿命是其两倍。如果您的电容目标值允许选择直径，并且板上有空间，那么选择较大的零件以提高使用寿命将是有益的。例如，如果您选择了一个100μF，35伏的组件，该组件打算在30伏的电压下运行，那么通过选择63伏的额定部分，您将获得良好的使用寿命。 

35伏部分的直径为8毫米，而63伏部分的直径为10毫米。但是，该10毫米部件的使用寿命为7,000小时，仅以48％的额定电压运行就可以翻倍至14,000小时。8毫米部件的使用寿命为5,000小时，如果在30伏特下工作，则只能增加到5833小时。因此，相对较小的直径增加2毫米，可以显着延长使用寿命。

另一个需要考虑的因素是纹波频率和纹波电流额定值之间的关系。例如，如果您的设计需要一个1000μF，35伏的组件，则数据手册将告诉您它在105°C时具有2.459 amps的额定纹波电流，但这是在指定的100 kHz下产生的。因此，如果应用程序以较低的频率运行，则必须使用下图确定效果：

 

在低频（例如120 Hz）下，额定纹波电流仅为100 kHz时的值的65％。这意味着，为了在120 Hz应用中进行正确的寿命评估，您只能使用额定值更高的仅1.598安培的纹波电流。 

失败率

不要将电解电容器的性能在其预期的使用寿命内逐渐降低视为与故障率或MTBF有关。任何电子组件的突然和意外故障都与组件可能“老化”的方式不同。当然，如果您设计的电路由于电解电容器的老化而停止工作，那么从用户的角度来看，这肯定是设备故障。但是，设计人员的失败并不是无法识别组件的性能随时间自然下降的情况。换句话说，这是设计失败，而不是组件失败。

电解电容器的MTBF将以百万小时为单位进行测量。尽管这可以通过存储的能量和环境工作温度来降低，但仍远未达到组件的低得多的使用寿命。

为什么要完全使用电解电容器？

如果电解质有这样的问题，为什么要广泛使用呢？有多种原因，但其中最主要的是电源设计通常需要的具有高电容的高额定电压的能力。由于电解中的化学成分，没有其他组件类型可以为您提供高电容和高电压的相同组合。对于其他组件，零件要么在物理上变得很大，要么需要并行放置大量零件。

在过去的一个项目中，我需要使用20个并联的电解电容器（3,300μF，35伏）在最近的设计中创建一个重要的储能设备。我之所以提及这一点，是因为它可以帮助您了解寿命和MTBF之间的区别。电路接收到低mA的充电电流，但会受到零星的负载电流脉冲（以安培为单位）的测量。 

关于整个存储设备的使用寿命，我完全希望并行组件随时间推移平均退化。换句话说，所有20个组件的寿命预计将与单个设备的寿命相同。但是，对于MTBF，单个设备的值将需要除以20，因为组件是并联的，并且20个组件中的任何一个都可能无法短路，这将导致设备故障。

在哪里找到可靠的零件

我们在本文开头提到的电容器瘟疫问题被认为是“适当的故障”（即与故障率有关），并且与使用寿命内的组件磨损不同。滴水的水龙头是否会导致浴室故障？答案显然是“不”，通常只是正常的磨损而已，这是可以预期的。