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留意这5个电解电容选型的参数,避免入坑

电子发烧友网 2019-07-09 14:08 次阅读

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引言

电解电容器是开关电源中一次和二次回路滤波电路中最重要的器件之一。通常,电解电容器的等效电路可以认为是理想电容器与寄生电感、等效串联电阻的串联,如图1所示。 

图1  电解电容器的等效电路 

众所周知,开关电源是当今信息家电设备的主要电源,为电子设备小型轻便化作出不可磨灭的贡献。开关电源不断的小型化、轻量化和高效率,在电子设备中使用量越来越大,普及率越来越高。相应的就要求电解电容器小型大容量化,耐纹波电流,高频低阻抗化,高温度长寿命化和更适应高密度组装。

1 电容量与体积 

由于电解电容器多数采用卷绕结构,很容易扩大体积,因此单位体积电容量非常大,比其它电容大几倍到几十倍。但是大电容量的获取是以体积的扩大为代价的,现代开关电源要求越来越高的效率,越来越小的体积,因此,有必要寻求新的解决办法,来获得大电容量、小体积的电容器。

在开关电源的原边一旦采用有源滤波器电路,则铝电解电容器的使用环境变得比以前更为严酷:

(1)高频脉冲电流主要是20 kHz~100kHz的脉动电流,而且大幅度增加;

(2)变换器的主开关管发热,导致铝电解电容器的周围温度升高;

(3)变换器多采用升压电路,因此要求耐高压的铝电解电容器。这样一来,利用以往技术制造的铝电解电容器,由于要吸收比以往更大的脉动电流,不得不选择大尺寸的电容器。结果,使电源的体积庞大,难以用于小型化的电子设备。

为了解决这些难题,必须研究与开发一种新型的电解电容器,体积小、耐高压,并且允许流过大量高频脉冲电流。另外,这种电解电容器,在高温环境下工作,工作寿命还须比较长。

2 承受温度与寿命 

在开关电源设计过程中,不可避免地要挑选适用的电容。就100μF以上的中、大容量产品来说,因为铝电解电容的价格便宜,所以,迄今使用的最为广泛。但是, 最近几年却发生了显著变化,避免使用铝电解电容的情况正在增加。

 出现这种变化的一个原因是,铝电解电容的寿命往往会成为整个设备的薄弱环节。电源模块制造厂家的工程师表示:“对于铝电解电容这种寿命有限的元件,如果可以不用, 就尽量不要采用。”因为铝电解电容内部的电解液会蒸发或产生化学变化,导致静电容量减少或等效串联电阻(ESR)增大, 随着时间的推移,电容性能肯定会劣化。

电解电容器的寿命与电容器长期工作的环境温度有直接关系,温度越高,电容器的寿命越短。普通的电解电容器在环境温度为90℃时已经损坏。但是现在有很多种类的电解电容器的工作环境温度已经很高在环境温度为90℃,通过电解电容器的交流电流和额定脉冲电流的比为0.5时,寿命仍然为10000h,但是如果温度上升到95℃时,电解电容器即已经损坏。

因此,在选择电容器的时候,应该根据具体的环境温度和其它的参数指标来选定,如果忽略了环境温度对电容器寿命的影响,那么电源工作的可靠性、稳定性将大大降低,甚至损坏设备和仪器。就一般情况而言,电解电容器工作在环境温度为80℃时,一般能达到10000h寿命的要求。

另一方面,电解电容器的寿命还与电容器长时间工作的交流电流与额定脉冲电流(一般是指在85℃的环境温度下测试值,但是有一些耐高温的电解电容器是在125℃时测试的数据)的比值有关。一般说来,这个比值越大,电解电容器的寿命越短,当流过电解电容器的电流为额定电流的3.8倍时,电解电容器一般都已经损坏。所以,电解电容器有它的安全工作区,对于一般应用,当交流电流与额定脉冲电流的比值在3.0倍以下时,对于寿命的要求已经满足。环境温度和纹波电流对电解电容器的影响如图2所示。

图2 某铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系

3 频率特性与阻抗

对于中小输出功率开关电源的工作频率除少数因价格限制而仍采用20~40kHz外,大多数均在50kHz以上;大功率开关电源的开关频率受主开关(一般采用IGBT)的开关速度限制而一般在20~40kHz。尽管开关频率有所不同,但是开关电源的输出整流滤波电容器的作用基本相同,主要是通过利用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流分量而滤除其纹波电压分量。

在开关电源输出端用的滤波电容,与工频电路中选用的滤波电容并不一样,在工频电路中用作滤波的普通电解电容器,其上的脉动电压频率仅有100Hz,充放电时间是毫秒数量级,为获得较小的脉动系数,需要的电容量高达数十万微法,因而一般低频用普通铝电解电容器制造目标是以提高电容量为主,电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。

在开关稳压电源中作为输出滤波用的电解电容器,由于大多数的开关电源工作在方波或矩形波的状态,含有及其丰富的高次谐波电压与电流,其上锯齿波电压的频率高达数十千赫,甚至数十兆赫,它的要求和低频应用时不同,电容量并不是主要指标,衡量它好坏的则是它的阻抗频率特性,如图3所示。

图3 某47μF/350V铝电解电容器的阻抗频率特性 

由图可知,随着频率的升高,容抗下降、感抗上升,容抗等于感抗并相互抵消时的频率为铝电解电容器的谐振频率,这时的阻抗最低,仅剩下ESR。如果ESR为零,则这时的阻抗也为零;频率继续上升,感抗开始大于容抗,当感抗接近于ESR时,阻抗频率特性开始上升,呈感性,从这个频率开始以上的频率下电容器时间上就是一个电感

由于制造工艺的原因,电容量越大,寄生电感也越大,谐振频率也越低,电容器呈感性的频率也越低。这就要求它在开关稳压电源的工作频段内要有低的等效阻抗,同时,对于电源内部,由于半导体器件开始工作所产生高达数百千赫的尖峰噪声,亦能有良好的滤波作用,一般低频用普通电解电容器在10kHz左右,其阻抗便开始呈现感性,无法满足开关电源使用要求。

用于开关稳压电源输出整流的电解电容器,要求其阻抗频率特性在300kHz甚至500kHz时仍不呈现上升趋势。电解电容器ESR较低,能有效地滤除开关稳压电源中的高频纹波和尖峰电压。而普通电解电容器在100kHz后就开始呈现上升趋势,用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。

笔者在实验中发现,普通CDII型中4700μF,16V电解电容器,用于开关电源输出滤波的纹波与尖峰并不比CD03HF型4700μF,16V高频电解电容器的低,同时普通电解电容器温升相对较高。当负载为突变情况时,用普通电解电容器的瞬态响应远不如高频电解电容器。

开关电源为了高效率而提高了工作频率的高频化,特别是小型高输出开关电源中输入滤波用电容器要求高纹波性,输出端低阻抗化。要使输出滤波用电容器在高频下低阻抗化,必须降低等效串联电阻。

4 纹波电流耐受度

影响电解电容器性能的最主要的参数之一就是纹波电流问题。纹波电流对铝电解电容器的影响主要是在ESR上产生功耗使铝电解电容器发热,进而缩短使用寿命。从特性曲线中(图2)可以看到,纹波电流在ESR上产生的损耗与纹波电流有效值的平方成正比,因而随着纹波电流的增加,小时寿命曲线类似于抛物线函数曲线。

降低纹波电流的方法可以采用较大容量的铝电解电容器,毕竟大容量铝电解电容器可承受的纹波电流比小容量的铝电解电容器大;也可以采用多只小容量铝电解电容器的并联方式,还可以选用纹波电流低的电路拓扑结构。

一般而言,反激式变换器产生的开关变换电流相对最大。表1是各种开关变换器电路拓扑的直流电流、整流滤波的纹波电流、开关变换电流和滤波电容上的总纹波电流。

表1 各种开关变换器电路拓扑的整流滤波的纹波电流和开关变换电流

就平板电视来说,为了能承受大电流,就需要进一步降低电容的ESR。其原因是,在数字设备中,随着功能的增加,电路的电流有越来越大的趋势。对于在液晶电视中进行MPEG编解码工作的图像处理电路来说,2006年一块芯片中电源电路的电流约为3A。据有关人士预测称,为了应对全H D (全高清等要求而增大电路的规模以后,芯片中的电流将增加到5A 左右,而且在2008 年前后将会达到8A~9A。

如果ESR小,则在有大电流流动时,电容输出电压的下降量也小。伴随着电流增大而来的降低ESR的要求,有可能成为推进电容替换进程的主要原因。相对于铝电解电容将近1Ω的ESR来说,多层陶瓷电容的ESR很小,还不到10mΩ。导电性高分子电容的ESR通常为几十mΩ,ESR比较小的则在10mΩ以下。

可靠性高低

开关电源是一种采用开关式控制的直流稳压电源,它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各种通信设备、家用电器、计算机及其终端设备。作为输入滤波和平滑作用的铝电解电容器,它的质量和可靠性直接影响到开关电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效,就会导致开关稳压电源的故障。

开关稳压电源用铝电解电容器的失效模式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效。其中击穿失效又分为介质击穿和热击穿,对于大功率和大电流输出的开关电源用电解电容器,热击穿失效常占一定比例;

电腐蚀导致铝引出条断裂和电容器芯子干涸,使开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的主要失效模式;漏液是开关稳压电源用铝电解电容器常见的失效模式,由于使用环境及工作状态较严酷,常发生漏液失效;开关稳压电源用铝电解电容器在使用中最常见的失效模式是电容量减少、漏电流增大及损耗角正切值增大。

6、小结

在电子线路中电解电容器是必不可少的,而且,随着电子设备的小型化,越来越要求电解电容器具有更好的频率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL,更高耐压性能、无铅化,这也是电解电容器今后的发展方向。

小型化、大容量化的电容器可以通过使用铌、钛等新型介电材料及结构方面的改进来达到。而低ESR、低ESL化可以通过新型电解质的开发优化工艺及构造来实现,同时产品将向更高的电压方向发展。 在发展日新月异的信息技术领域,电容器将始终是关键元件之一,我们将应用新技术、新材料不断地开发出顺应信息时代需求的高性能电容器。

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电路系统性能的稳定可靠,与选用的元器件参数、等级、质量等密切相关。设计师应针对产品应用环境以及电性能....
的头像 发烧友学院 发表于 06-14 16:12 705次 阅读
铝电解电容选型参数

铝电解电容检验方法

铝电解电容是由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极制成。还需要经过直流电压处理....
的头像 发烧友学院 发表于 06-14 16:03 494次 阅读
铝电解电容检验方法

电解电容寿命预算

以某一款电解电容为例,如果环境温度在30℃以下,电解电容器的使用寿命可长达10年以上;而当周围温度为50℃时,使用寿命只有2.5年...
发表于 06-10 00:24 272次 阅读
电解电容寿命预算

电容器正负极板判断

电容器分无极性电容和有极性电容,对于瓷片电容、云母电容、独石电容、涤纶电容等这些都是无极性电容,使用....
的头像 发烧友学院 发表于 06-06 14:34 1190次 阅读
电容器正负极板判断

阻容降压电路的误区

由于采用电容降压,而电容器对交流电没有隔离作用,所以这样降压电路的负载电阻R1上会带电,有触电危险。....
发表于 06-04 10:21 1879次 阅读
阻容降压电路的误区

电解电容爆炸的原因及措施

电解电容内有电极、介质材料、电解液,根据其结构与可能的工作条件,电解电容爆炸的原因分析如下: 1、电解液受热会膨胀...
发表于 06-03 22:27 273次 阅读
电解电容爆炸的原因及措施

电解电容的使用注意事项

电解电容由于有正负极性,因此在电路中使用时不能颠倒联接。在电源电路中,输出正电压时电解电容的正极接电....
的头像 发烧友学院 发表于 05-28 17:47 939次 阅读
电解电容的使用注意事项

电路板电容正负极区分

如果是新的,我们可以根据引脚的长度来判断,脚长的为正极,其次看白色银边的符号,有一字符号的为负极。
发表于 05-28 08:54 3149次 阅读
电路板电容正负极区分

贴片电容的充放电

 电容器的基本作用既是充电和放电,于是直接利用此充电和放电的功能便是电容器的主要用途之一。在此用途中....
发表于 05-24 11:51 353次 阅读
贴片电容的充放电

电解电容怎么放电

小电容的话,直接短路放电就行了,要是高压大容量电容就只能用电阻器缓慢放电,或者用100w白炽灯和电炉....
发表于 05-24 11:28 1580次 阅读
电解电容怎么放电

查找损坏的电解电容方法

漏电流是电解电容器的三大主要性能指标(电容量、损耗角正切值和漏电流)之一,漏电流过大会直接影响电容在....
发表于 05-24 11:11 619次 阅读
查找损坏的电解电容方法

贴片电解电容封装尺寸表资料合集免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是贴片电解电容封装尺寸表资料合集免费下载 ,各种型号很全。
发表于 05-24 08:00 102次 阅读
贴片电解电容封装尺寸表资料合集免费下载

铝电解电容的选取问题

常用铝电解电容给电源电压做滤波、储能用但是无论对于交流输入还是直流输入的电压源,铝电解电容的容值如何选择呢? 自己查阅...
发表于 05-23 11:26 625次 阅读
铝电解电容的选取问题

PCB电路中电解电容的使用注意事项叙述

滤波作用:在电源电路中,整流电路将交流变成脉动的直流,而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容,利....
发表于 05-16 14:20 188次 阅读
PCB电路中电解电容的使用注意事项叙述

​铝电解电容不能承受反向电压,你知道为什么?

铝电解电容为什么不能承受反向电压?
的头像 张飞实战电子 发表于 05-09 15:13 838次 阅读
​铝电解电容不能承受反向电压,你知道为什么?

如何分辨电解电容和滤波电容

电解电容是说电容里面的介质是电解材料,电解电容可用作滤波作用,当用作滤波作用时也叫滤波电容。
的头像 发烧友学院 发表于 04-30 16:59 1161次 阅读
如何分辨电解电容和滤波电容

电解电容在电路中的作用

在电源电路中,整流电路将交流变成脉动的直流,而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容,利用其充放电....
的头像 发烧友学院 发表于 04-30 16:56 2919次 阅读
电解电容在电路中的作用

电解电容寿命一般几年

如额定最高温度为85℃的电解电容器在85℃的环境温度条件下寿命为1000小时,而环境温度降低到60℃....
的头像 发烧友学院 发表于 04-30 16:52 7032次 阅读
电解电容寿命一般几年

电解电容和普通电容的区别

区别在于介质的不同、性能不同、容量不同、结构不同致使用环境和用途也不同。反过来讲,人们根据生产实践需....
的头像 发烧友学院 发表于 04-30 16:48 2294次 阅读
电解电容和普通电容的区别

应用3.3 电压的LTC3643电源备用解决方案

数据丢失是电信,工业和汽车应用中的一个问题,因为嵌入式系统需要可靠的电源。在硬盘驱动器和闪存执行的读....
的头像 电子设计 发表于 04-15 09:10 568次 阅读
应用3.3 电压的LTC3643电源备用解决方案

滤波电容和电解电容怎么区分

在电路中起滤波作用的,都叫滤波电容,是电容在该电路中的功能。而电解电容是说电容里面的介质是电解材料,....
的头像 发烧友学院 发表于 04-12 13:59 1192次 阅读
滤波电容和电解电容怎么区分

艾华集团年度财报披露,产能释放破解涨价难题

报告显示,公司去年实现营业收入 2,165,573,917.78 元,同比增长 20.81% ;
的头像 高工LED 发表于 04-10 10:05 1059次 阅读
艾华集团年度财报披露,产能释放破解涨价难题

电容的基础知识详细资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是电容的基础知识详细资料免费下载包括了:一、电容的分类和作用,二、电容的符....
发表于 04-03 08:00 267次 阅读
电容的基础知识详细资料免费下载

涤纶电容和电解电容能通用吗

大家都知道电容的替换是不能随意的,要在专业技术人员的指导或者厂家说明中使用会安全些。有人问台灯中的涤....
的头像 发烧友学院 发表于 03-26 14:58 1465次 阅读
涤纶电容和电解电容能通用吗

SEC-50HVH56M电解电容的数据手册资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是SEC-50HVH56M电解电容的数据手册资料免费下载。
发表于 03-01 08:00 127次 阅读
SEC-50HVH56M电解电容的数据手册资料免费下载

固态电容和电解电容的区别

固态电容全称固态铝质电解电容,它与普通电容(即液态铝质电解电容)最大差别在于采用了不同的介电材料,液....
的头像 发烧友学院 发表于 01-19 14:00 14891次 阅读
固态电容和电解电容的区别

电容的含义和容值参数及分类的资料介绍

电容(Capacitance)亦称作“电容量”,是指在给定电位差下的电荷的储藏量,记为C,国际单位是....
发表于 11-30 08:00 640次 阅读
电容的含义和容值参数及分类的资料介绍

电容常用单位换算方法表的详细资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是电容常用单位换算方法表的详细资料免费下载。
发表于 11-27 08:00 333次 阅读
电容常用单位换算方法表的详细资料免费下载

电容的基础知识介绍有那些应用课件教程免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是电容的基础知识介绍有那些应用课件教程免费下载主要内容包括了:1.概述 2....
发表于 11-27 08:00 319次 阅读
电容的基础知识介绍有那些应用课件教程免费下载

电解电容如何避免极性错误爆炸

电容做为电气、电子元器件对于我们这些电工人来讲是非常熟悉的,无功补偿当中的电力电容、变频器直流主回路....
的头像 电子工程技术 发表于 11-25 10:06 2276次 阅读
电解电容如何避免极性错误爆炸

工控电路板电容损坏的故障特点及维修

电容损坏引发的故障在电子设备中是最高的,其中尤其以电解电容的损坏最为常见。
的头像 EDA365 发表于 11-14 16:54 1275次 阅读
工控电路板电容损坏的故障特点及维修

无极性电容有哪些?

电容器是一种容纳电荷的电子元器件,日常生活中非常的常见,比如现在人们离不开的手机、电视、空调等电器中....
的头像 电小二 发表于 11-14 15:46 5487次 阅读
无极性电容有哪些?

电解电容的原理

电解电容器通常是由金属箔(铝/钽)作为正电极,金属箔的绝缘氧化层(氧化铝/钽五氧化物)作为电介质,电....
的头像 发烧友学院 发表于 11-05 16:47 4484次 阅读
电解电容的原理

常用电解电容的封装尺寸表资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是常用电解电容的封装尺寸表资料免费下载。
发表于 10-24 08:00 302次 阅读
常用电解电容的封装尺寸表资料免费下载

为何在某些电路设计中将两个电解电容反相串联?

在一些电路设计中看到两个电解电容反相串联,两元件容量要相等,耐压相同,在交流电路中可以减小漏电流,用....
的头像 贸泽电子设计圈 发表于 10-17 14:52 2349次 阅读
为何在某些电路设计中将两个电解电容反相串联?

关于铝电解电容器的长寿命化研究分析

LED 照明产品使用非固态铝电解电容器。与其它电容相比,有较宽使用温度、小型且大容量、价格便宜等特点....
的头像 富士通电子 发表于 10-06 16:35 1638次 阅读
关于铝电解电容器的长寿命化研究分析