電源設(shè)計(jì)小貼士 50:鋁電解電容器常見缺陷的規(guī)避方法
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因其低成本的特點(diǎn),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(huì)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(huì)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(zhǎng)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(shí)。選擇這些電容器用于圖 1 所示 LED 燈泡等長(zhǎng)壽命應(yīng)用時(shí)(LED 的壽命為 25000 小時(shí)),電容器的壽命便成了問(wèn)題。要想達(dá)到 25000 小時(shí)壽命,這種電容器要求工作溫度不超過(guò) 65 攝氏度。這種工作溫度特別具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)樵谶@種應(yīng)用中,環(huán)境溫度會(huì)超出 125 攝氏度。市場(chǎng)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(huì)達(dá)到其聲稱的 23 年壽命
這種壽命溫度依賴度實(shí)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(lái)最小化電介質(zhì)失效的機(jī)率。但是,這樣做會(huì)使電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 更高。由于電容器一般會(huì)具有高紋波電流應(yīng)力,因此這種高電阻會(huì)帶來(lái)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(shí)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(shí),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(jí)增加。這在許多方面都會(huì)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(jí)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(gè)數(shù)量級(jí),從而影響控制環(huán)路。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有振蕩的不穩(wěn)定電源。為了適應(yīng)這種強(qiáng)震動(dòng),控制環(huán)路通常會(huì)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(diǎn)是否會(huì)對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。您需要通過(guò)其工作溫度,考慮其壽命長(zhǎng)短。另外,您還要適當(dāng)?shù)亟档推漕~定電壓,這樣您才能實(shí)現(xiàn)最低溫度運(yùn)行,從而獲得最長(zhǎng)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(jì)出控制環(huán)路,從而滿足設(shè)計(jì)的紋波規(guī)范要求。
下次,我們將討論一種低功耗離線式反向結(jié)構(gòu),敬請(qǐng)期待。
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