鋁電容器—做出正確選擇

　　其總和應(yīng)與時(shí)間域中信號(hào)的RMS 值接近。如果并非如此，所有元件均可乘以時(shí)間域中的值與頻率域中的值之間的比值?？墒褂眠@些糾正的RMS 值來(lái)確定IA/IR 的值。

　　記住如何在元件規(guī)格上下文中認(rèn)識(shí)所定義的溫度及散熱，這一點(diǎn)也很重要。鋁電容器的額定溫度為在額定紋波電流及額定電壓下獲得規(guī)定使用壽命時(shí)的最大環(huán)境溫度。關(guān)鍵字為“環(huán)境”：實(shí)際上，由于紋波電流產(chǎn)生熱量的影響，在電容器上測(cè)量的溫度可能比環(huán)境溫度高10℃。

　　根據(jù)IEC 60068 第4.6.2 節(jié)，如在Vishay 列線圖中所使用的環(huán)境溫度被定義為處于靜態(tài)空氣環(huán)境中相隔一定距離而可忽略散熱影響時(shí)的溫度。測(cè)量電源中的環(huán)境溫度非常困難，因此，利用上述條件，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)電容器外殼的溫度提供了非常接近的第一個(gè)近似值。

　　但如果等效應(yīng)用紋波電流IA 大于電容器的額定紋波電流(IR)，則該應(yīng)用可能會(huì)使器件產(chǎn)生很大熱量，從而導(dǎo)致外殼溫度與環(huán)境溫度值出現(xiàn)偏差。如果的確如此，若要確保所計(jì)算的使用壽命可正確反映這些應(yīng)用情況，則必須使用另一個(gè)測(cè)量點(diǎn)來(lái)估算周圍空氣溫度。

　　如果紋波電流導(dǎo)致的鋁電容器產(chǎn)生的熱量致使器件不能達(dá)到規(guī)定的使用壽命，則可能需要在設(shè)計(jì)中提高冷卻效果。在制定這種冷卻策略時(shí)要注意的第一點(diǎn)是鋁電容器會(huì)通過(guò)輻射散掉很大熱量：通過(guò)輻射同樣可輕松加熱本來(lái)利用輻射來(lái)冷卻的表面。為避免過(guò)熱，設(shè)計(jì)人員因而應(yīng)避免將鋁電容器放置在接近熱元件的位置，例如散熱片或變壓器。

　　如果使用對(duì)流冷卻(請(qǐng)參見(jiàn)圖6)，在對(duì)板面進(jìn)行物理布局時(shí)必須謹(jǐn)慎。當(dāng)空氣在熱元件的上方流動(dòng)時(shí)會(huì)快速升溫，如果通過(guò)風(fēng)扇冷卻多個(gè)等同加載的鋁電容器(例如輸出電源上的并行鋁電容器)，最好將它們放置在與氣流垂直的一條線上，并且使它們之間保持足夠的間距(一般這一距離應(yīng)不少于元件直徑的一半)。

　　通過(guò)傳導(dǎo)冷卻一般比使用輻射或?qū)α鞲佑行?。安裝具有極大自加熱性的鋁電容器時(shí)，使其底座與(冷卻)散熱片接觸將會(huì)大幅降低溫度。注意，更高的冷卻會(huì)使應(yīng)用條件與用于確定額定紋波電流的參考條件不同。這再次需要添加校正因數(shù)。通常，確定相應(yīng)的Rth 及ESR 值并使用它們來(lái)計(jì)算鋁電容器的預(yù)計(jì)工作溫度更加簡(jiǎn)單。在IA/IR = 0 時(shí)將此溫度作為該列線圖中的Tamb 可確定相應(yīng)的使用壽命乘數(shù)。

　　我們已注意到，在高頻及低溫時(shí)，在計(jì)算電路工作特性的過(guò)程中可忽略ESR 值。到目前為止，我們使ESR 僅與電阻損耗及因紋波電流產(chǎn)生的熱相關(guān)。但鋁電容器的ESR 可產(chǎn)生其它影響，尤其是對(duì)于頻率大于10kHz的情況，在這種情況下，ESR 是影響鋁電容器阻抗的主要因素。
再次考慮鋁電容器的等效電路可關(guān)注這一影響(請(qǐng)參見(jiàn)圖3)。

　　當(dāng)電流對(duì)鋁電容器進(jìn)行充電/放電時(shí)，它會(huì)改變?cè)撾娙萜髦械碾妷?因?yàn)镮 = C .dv/dt)，并會(huì)在ESR 中產(chǎn)生壓降(因?yàn)閂 = I·R)。如果電容器通過(guò)高頻、高電流脈沖充電(例如，對(duì)于回掃電源的輸出電容器來(lái)說(shuō)這是一種典型情況)，則ESR 中的壓降導(dǎo)致的紋波會(huì)高于電容充電/放電導(dǎo)致的紋波。這樣，輸出電壓上允許的最大紋波便會(huì)確定該電容器的規(guī)定最大ESR。應(yīng)再次強(qiáng)調(diào)，高頻ESR 隨溫度而變化，當(dāng)鋁電容器的溫度升高時(shí)，其ESR 值會(huì)降低。因此，當(dāng)電源溫度升高時(shí)，紋波電壓將下降。

　　通過(guò)選擇具有低ESR(最佳材料)、薄而長(zhǎng)的封裝(低箔阻)及大尺寸(接觸紙/電解質(zhì)的箔更多)的元件系列可獲得最低的高頻ESR 值。由于鋁電容器一般與箔只有兩個(gè)連接，因此并聯(lián)使用多個(gè)更小的元件一般會(huì)提供比單個(gè)大器件更低的高頻ESR。

　　在其它多種情況下，使用鋁電容器需要特別小心。尤其是，在使用前經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期存放以及與其它器件(相同或不同)并聯(lián)或串聯(lián)時(shí)需要仔細(xì)考慮漏電流。在其它情況下，鋁電容器的機(jī)械設(shè)計(jì)可能會(huì)對(duì)電源的設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響。

　　長(zhǎng)期存放主要影響元件的直流漏電流。漏電流是由于鋁電容器的電解質(zhì)與氧化鋁層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并慢慢分解氧化鋁的過(guò)程中出現(xiàn)的特性。施加電壓會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而重新構(gòu)建該層。當(dāng)該氧化層的薄弱點(diǎn)被重新構(gòu)建時(shí)，電流會(huì)下降到平衡分解氧化鋁的化學(xué)反應(yīng)所需的水平。為此電化學(xué)反應(yīng)供電的電流稱為漏電流。

　　如果鋁電容器在一段時(shí)間內(nèi)尚未使用，則在第一次通電時(shí)氧化層厚度的降低會(huì)使傳輸?shù)穆╇娏髟黾?。該電流產(chǎn)生的熱量會(huì)進(jìn)一步損壞器件本身。保質(zhì)期指示了在不會(huì)極大增加漏電流的情況下可存放鋁電容器的時(shí)間。對(duì)于85℃、105℃及125℃ 的部件，Vishay 鋁電容器的保質(zhì)期在20℃時(shí)分別為3 年、4 年及10 年。

　　如果在存放后發(fā)現(xiàn)漏電流太高，則在將該鋁電容器內(nèi)置到電源中之前對(duì)其施加電壓將會(huì)恢復(fù)氧化層。為防止在此過(guò)程中過(guò)熱，必須限制漏電流。該電流限制可通過(guò)公式Imax = Asurf/Ur 加以計(jì)算，其中Imax 為最大電流，單位為mA，Asurf 為鋁電容器的表面積，單位可為mm2，Ur 為該電容器的額定電壓。鋁電容器中的電壓應(yīng)永遠(yuǎn)不超過(guò)Ur。

　　我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在電源電路中以并聯(lián)方式連接鋁電容有若干優(yōu)勢(shì)：主要是紋波電流可于器件之間共享。例如，兩個(gè)相同的并聯(lián)鋁電容可各使用一半紋波電流值，因此將IA/IR值實(shí)現(xiàn)平分。因溫升與IA/IR二次冪互成比例，增量將僅為使用單一鋁電容時(shí)所產(chǎn)生的四分之一。若IA/IR大于一，元件壽命則可大大延長(zhǎng)。

　　將此類器件以并聯(lián)方式連接以共享紋波電流時(shí)，需考慮到鋁電容在溫度、頻率及時(shí)間方面的依賴性。因各鋁電容端子之間的電壓Uf相同，通過(guò)各器件的紋波電流If取決于其阻抗Zf(f為紋波電流的頻率)。利用等效電路模型(見(jiàn)圖3)運(yùn)算出下列結(jié)果：

　　其中

　　處于多數(shù)電源中使用的較高頻率時(shí)，ESRf將是該有效阻抗中的主導(dǎo)條件，即：ESRf為最低值的鋁電容將處理最高紋波電流，并因此以最高溫度運(yùn)行。此類高溫將導(dǎo)致老化過(guò)程加速，隨時(shí)間推移而促使歐姆損耗(ESRf)加快。這將導(dǎo)致其總紋波電流的共享值降低，溫度也會(huì)降低。其它鋁電容的總紋波電流共享值則會(huì)增加，正如其溫度及老化率也將增高一樣。該紋波電流的“平衡效果”最終確保并聯(lián)電容的壽命接近估算值。

　　對(duì)于通常為電源頻率兩倍的低頻率而言，包含Cf在內(nèi)的條件是阻抗中的主導(dǎo)條件。因此，Cf值為最高的鋁電容將會(huì)處理最高紋波電流，并以最高溫度運(yùn)行，引起老化過(guò)程加速。同樣，這即是說(shuō)：其歐姆損耗(ESRf)隨時(shí)間推移而加快。然而，若配予Cf的值變化不大，該器件將繼續(xù)處理最高紋波電流。在此情況下，并聯(lián)電容的壽命則會(huì)短于估算值。

　　在多數(shù)電源中，電源緩沖電容器內(nèi)的IA/IR比率小于一，因此，歐姆損耗所引起的自動(dòng)加熱對(duì)其壽命不造成大的影響。因此，由上述紋波電流共享而造成的壽命縮短將不會(huì)很嚴(yán)重。

　　有時(shí)，配套鋁電容的額定電壓低于其應(yīng)用所要求的值。在此情況下，兩個(gè)或以上元件必須以串聯(lián)方式連接，以確保單個(gè)鋁電容的額定電壓未超值。

　　以串聯(lián)方式連接需使用平衡電阻抵消漏電流在其他相同器件之間(在所加電壓相同情況下)變化幅度較大的情況。因此，通過(guò)各電容強(qiáng)制形成相同電流將導(dǎo)致電壓的平均分配，并使其中一個(gè)器件受到了超出其最大額定值的電壓。為避免此情況，設(shè)計(jì)人員必須合并平衡電阻，其中一個(gè)電阻與各電容并聯(lián)。該方法限制了各個(gè)電容在直流情況下的電壓差異。

　　要求的電阻值可通過(guò)對(duì)下列條件的掌握情況進(jìn)行計(jì)算：任一電容所需最大電壓(Um通常與額定電壓相同)；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)(Utotal)的總電壓；以及五分鐘后所指定的安培漏電流IL5(接近兩個(gè)電容之間的漏電流差異)。然后，最大電阻值可以下列公式算出：

　　對(duì)于選擇電容的最后一條要求是，電容必須適配目標(biāo)電源的實(shí)際尺寸。明智的做法是在設(shè)計(jì)時(shí)確認(rèn)實(shí)際最大尺寸，而不是依賴于數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的標(biāo)稱尺寸。通常，電壓及最高溫度額定值越低，器件的體積則越小。然而，需牢記的是，小型鋁電容的壽命有時(shí)短于大電容的壽命。對(duì)于在高度方面有特殊限制的應(yīng)用設(shè)備，軸式鋁電容可能更為合適。

　　許多鋁電容系列還提供各類腳接與引導(dǎo)配置。例如，已開(kāi)發(fā)的三腳SI配置用于防止反向安裝，而同時(shí)保持與標(biāo)準(zhǔn)兩腳SI配置的兼容性。此點(diǎn)非常重要，因?yàn)榉聪虬惭b除目測(cè)檢查外無(wú)其他方式可以檢測(cè)到。

　　此外，也可采用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊更改，使鋁電容能夠處理高于標(biāo)準(zhǔn)額定值的振動(dòng)水平。

　　諸如Vishay之類的公司提供各類鋁電容(部分系列請(qǐng)見(jiàn)表2)。在300W額定功率及125℃的最高溫度下，設(shè)計(jì)人員可將ESR的壽命、尺寸及形狀系數(shù)最優(yōu)化。

　　此類各系列器件反映了無(wú)源元件在電路性能中的重要作用。生產(chǎn)商之所以制造諸多不同器件，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員的需要。該事實(shí)不僅體現(xiàn)了要求的多樣性，也體現(xiàn)了滿足此類要求時(shí)選擇元器件的重要性。

　　通過(guò)指定正確的元件，工程師可省去“圍繞”問(wèn)題區(qū)域被動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的麻煩。對(duì)元件(如鋁電容)工作模式及其特性描述方式已有詳細(xì)了解，因此，電源設(shè)計(jì)人員可快速鎖定解決方案，并設(shè)計(jì)出壽命更長(zhǎng)、性能更佳且效率更高的設(shè)備。這樣，此類“商品”便可在當(dāng)今市場(chǎng)幾乎各種電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中大有所為?！?/p>