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详解铝电解电容寿命的计算过程

时间：2018-11-15 09:19来源：21Dianyuan

摘要：关于铝电解电容的寿命有一些讨论，但真正演示寿命计算过程的却不多。本帖将一步一步详解铝电解电容寿命的计算，目标是让看此帖的人学会计算铝电解电容的寿命。同时也欢迎高手指点。

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关于铝电解电容的寿命有一些讨论，但真正演示寿命计算过程的却不多。本帖将一步一步详解铝电解电容寿命的计算，目标是让看此帖的人学会计算铝电解电容的寿命。 同时也欢迎高手指点。
 
网友讨论

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一般从以下几个方面来考虑：
1. 标准寿命：就是供应商在 datasheet 中写的寿命，一般是85°C 的情况下给出的寿命，但是这个寿命并不是我们所要计算的寿命；
2. 纹波电流：直接带最大负载，用电流 Pro 直接测量可以得出；
3. 频率：此频率为纹波电流的频率，有高低频混合时，可以用示波器里面的傅里叶分析得出；
4. 温度：在客户要求的环温下带最大负载时测得的最高温度；
5. 最大允许纹波电流：此项所说的纹波电流同2项中的纹波电流，不是同一个概念，而是经过温度补正系数、频率补正系数，与2项中的纹波电流综合得出；
6. 自身发热系数：一般供应商的 datasheet 会明确给出。
 
作者分享

对于电容的寿命，先说明一下什么时候算寿命结束。一般判断标准如下（不同厂家对变化量的定义会有小的调整）：
✔ 电容量变化：初始值的±20% 
✔ 损耗角正切：不超过规定值的200% 
✔ 漏电流：不超过规定值
✔ 外观：不能有明显异常，如鼓起、漏液、炸裂等

一个电容，只要以上4点中有一点超出，就认为寿命结束，大家平常更直观的是看第四点。
 
关于电容的寿命，有储存寿命和使用寿命之分（通常我们更关注的是使用寿命）。
一般规格书里显示：在额定温度下，电容的储存寿命为1000~2000个小时。在正常的温度下，大部分厂商的储存时间是2年，超过2年就需要进行通电处理。

规格书里会给出额定寿命，那么额定寿命是在什么条件下测出来的呢？
一般额定寿命是在加 额定电压 、 额定温度 、 额定纹波电流 的情况下测出的。从以上可以看出，影响使用寿命的3大因素，计算依据也是基于此。
 
电解的实际使用寿命的计算，可用下面的公式表示： Lx=Lo·Kt·Ki·Kv
 
其中 
▪ Lx：电容计算出的使用寿命 
▪ L0：电容在额定条件下的寿命 
▪ Kt：电容温度系数 
▪ Ki：电容纹波电流系数 
▪ Kv：电容电压系数 

粗看一下公式，是不是很简单？ 以上公式基本适用于所有厂商的电解电容寿命计算，差异就在不同家、不同系列的那3个系数不一样。
 
下面看一下电容厂商给出的，NCC 针对某些系列的计算公式：
 
 

这里要说明下： 
关于 Kv 这个参数，日系3大厂商，除了 rubycon，其他两家都在其计算公式中有体现。这点上 rubycon 比较保守，在同样参数下，rubycon 电容的计算寿命有可能会低些。 

电压对寿命的影响，相对于 Kt 和 Ki 的影响较小，一般可以忽略，尤其是低电压的情况下，可以认为 Kv=1；但对于尺寸较大的高压产品（>350V），其内部电解液较多，除了温度会使电解液挥发，所加电压也会使内部氧化膜劣化而影响寿命。
 
对于电解的寿命，大家都知道一个原则：温度下降10°C，寿命翻倍。这个可以通过上面的公式推导，假设在额定电压、额定纹波电流下，温度低于额定温度10°，可得 Ki=1 Kv=1 Kt=210/10=2，从而得出寿命翻倍：Lx=2Lo。

温度对寿命的影响非常大，额定 2000h~5000h 的电解，实际应用中达到几万个小时是很轻松的。
 
下面就以 rubycon 的公式为例，来说明公式中每个参数的意义和如何取得参数。从资料里可看到：
 
 

看公式，Tmax 已知，一般有85°C、105°C、125°C之分；C 是常数，可以通过查表得到。Ta 和 ΔTj 这两个参数未知，下面重点讨论这两个参数。
 
Ta 和 ΔTj 两个参数，列一个二元一次方程组就可以解出来了。
 
 第一个等式
 
 
 
 第二个等式
 
 
 
α 查表得出，ΔTj0 从规格书可得出，Tc 为实测表面温度，I 为实测的 ripple 电流（高频需要折算到低频120Hz）。

实际中要注意以下几点：
1. 工作温度不能超 Tmax、ripple 电流不能超最大可接受 ripple 电流、电压不能超 Vmax，只要有一项超了，就不适合用公式计算寿命，即使算过了也没有意义。
2. 最大可接受 ripple 电流=额定 ripple 电流 * 温度系数
3. 测试 ripple 电流的时候，引线长度尽量短，减少寄生电感对 ripple 的阻碍作用，使测量尽量准确。
 
关于第三点，ripple 电流的测试，会存在以下两个问题：
1. 由于需要用电流探棒测试电流，引线不可能很短，始终会把电流阻挡掉一部分，实测值小于真实值。
2. 对于测试输出端电容的 ripple 电流，割线串入引线会导致环路不稳，严重的输出不正常，此时带载测试 ripple 也存在准确性问题。

所以，要测到 ripple 电流的真实值，推荐如下图的方法：测 ripple I1 和 I3，通过计算得出 I2，这样的测试目前是最准确的。
 
 
 
不管是哪一家的电容，计算公式都是差不多的，差异就是系数的选定。
 
在计算的时候需要与供应商确认具体的公式，不要以为同一家的所有 source 可以套用一个公式和系数，这样估算出来的误差会较大。
 
再提一下：
1. 电容的 Tc 值，有些位置温度很低，比如为 30°C 左右，不要以此数据带入计算。对于低温的情况下，公式也是不合适的，最低温度需要从40℃ 或者45℃ 开始。
2. 实际寿命算出20年了怎么办？厂商规格一般会写最高以15年为限，这与电容的本身寿命有关，如电解液挥发等。
 
至此，关于电解电容寿命的计算已说明完毕。特别是其中测试的注意事项，如果操作不规范，测试数据不准，那么计算偏差就更大了。
 
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