電源設(shè)計小貼士 50：鋁電解電容器常見缺陷的規(guī)避方法

因其低成本的特點，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。選擇這些電容器用于圖 1 所示 LED 燈泡等長壽命應(yīng)用時(LED 的壽命為 25000 小時)，電容器的壽命便成了問題。要想達(dá)到 25000 小時壽命，這種電容器要求工作溫度不超過 65 攝氏度。這種工作溫度特別具有挑戰(zhàn)性，因為在這種應(yīng)用中，環(huán)境溫度會超出 125 攝氏度。市場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℃ 電容器可能不會達(dá)到其聲稱的 23 年壽命

這種壽命溫度依賴度實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最小化電介質(zhì)失效的機(jī)率。但是，這樣做會使電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 更高。由于電容器一般會具有高紋波電流應(yīng)力，因此這種高電阻會帶來額外的內(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，ESR 急劇增加，如圖 2 所示。在這種情況下，-40oC 下，電阻呈數(shù)量級增加。這在許多方面都會影響到電源性能。如果電容器用于開關(guān)式電源的輸出端，則輸出紋波電壓呈數(shù)量級增加。另外，在 ESR 和輸出電容形成的零以上頻率，它讓環(huán)路增益增加一個數(shù)量級，從而影響控制環(huán)路。這會產(chǎn)生一個有振蕩的不穩(wěn)定電源。為了適應(yīng)這種強(qiáng)震動，控制環(huán)路通常會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，您需要確定其缺點是否會對應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。您需要通過其工作溫度，考慮其壽命長短。另外，您還要適當(dāng)?shù)亟档推漕~定電壓，這樣您才能實現(xiàn)最低溫度運(yùn)行，從而獲得最長的使用壽命。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)計出控制環(huán)路，從而滿足設(shè)計的紋波規(guī)范要求。