鋁電解電容的進(jìn)化
小易說(shuō)：鋁電解電容是如何跟隨他們終端的變化而變化的呢？我們今天一起來(lái)看看他們的進(jìn)化史。
開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備、家用電器、計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備。而鋁電解電容作為開關(guān)電源中一次和二次回路濾波電路中最重要的器件之一，也跟隨著開關(guān)電源的進(jìn)化趨勢(shì)不斷進(jìn)化。
現(xiàn)在我們來(lái)細(xì)說(shuō)一下它們的“進(jìn)化趨勢(shì)”：
1 大容量、小體積
我們都知道，電解電容器大多是卷繞結(jié)構(gòu)，這樣一來(lái)體積變大就成了硬傷。麻煩就在于開關(guān)電源要求相同電容量的情況下有越來(lái)越小的體積。在開關(guān)電源的原邊采用有源濾波器電路，則鋁電解電容的使用環(huán)境變得比以前更為嚴(yán)酷：
（1）高頻脈沖電流主要是20 kHz~100kHz的脈動(dòng)電流且大幅度增加；
（2）變換器的主開關(guān)管發(fā)熱，導(dǎo)致鋁電解電容器的周圍溫度升高；
這樣一來(lái)，利用以往技術(shù)制造的鋁電解電容器， 由于要吸收比以往更大的脈動(dòng)電流，不得不選擇大尺寸電容器。這種選擇會(huì)導(dǎo)致電源體積過(guò)于龐大，難以適用于小型化電子設(shè)備。為了解決這些難題，必須開發(fā)一種小體積、耐高壓，且允許流過(guò)大量高頻脈沖電流的新型電解電容器。另外，這種電解電容器，在高溫環(huán)境下工作，工作壽命還須比較長(zhǎng)。
2 高溫、長(zhǎng)壽命化
就100μF以上的中、大容量產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，占據(jù)價(jià)格優(yōu)勢(shì)的鋁電解電容應(yīng)用最為廣泛。但近幾年避免使用鋁電解電容的情況正在增加。究其原因，就卡在壽命的短板上！皩(duì)于鋁電解電容這種壽命有限的元件，能不用則不用”，電源模塊制造廠家工程師表示，鋁電解電容內(nèi)部的電解液會(huì)蒸發(fā)或產(chǎn)生化學(xué)變化，導(dǎo)致靜電容量減少或等效串聯(lián)電阻(ESR)增大，隨著時(shí)間的推移，電容性能肯定會(huì)劣化。
事實(shí)上電解電容器的壽命與電容器長(zhǎng)期工作的環(huán)境溫度成負(fù)相關(guān)性。
普通電解電容器在環(huán)境溫度為90℃時(shí)已經(jīng)損壞，但現(xiàn)在有很多種類的電解電容器的工作環(huán)境溫度已高于90℃，通過(guò)電解電容器的交流電流和額定脈沖電流的比為0.5時(shí)，壽命仍然為10000h，但是如果溫度上升到95℃時(shí)，電解電容器即已經(jīng)損壞。
另一方面，電解電容器的壽命還與電容器長(zhǎng)時(shí)間工作的交流電流與額定脈沖電流（一般是指在85℃的環(huán)境溫度下測(cè)試值，但是有一些耐高溫的電解電容器是在125℃時(shí)測(cè)試的數(shù)據(jù)）的比值有關(guān)。一般而言比值越大則壽命越短，當(dāng)流過(guò)電解電容器的電流為額定電流的3.8倍時(shí)，電解電容器一般都會(huì)損壞。
3 高頻低阻抗化
盡管開關(guān)頻率有所不同，但開關(guān)電源的輸出整流濾波電容器作用基本相同，主要是通過(guò)利用濾波電容器吸收開關(guān)頻率及其高次諧波頻率的電流分量而濾除其紋波電壓分量。
在開關(guān)電源輸出端用的濾波電容，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，在工頻電路中用作濾波的普通電解電容器，其上的脈動(dòng)電壓頻率僅有100Hz，充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí)，為獲得較小的脈動(dòng)系數(shù)，需要的電容量高達(dá)數(shù)十萬(wàn)微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造目標(biāo)是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。
在開關(guān)穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，由于大多數(shù)的開關(guān)電源工作在方波或矩形波的狀態(tài)，含有豐富的高次諧波電壓與電流，其上鋸齒波電壓的頻率高達(dá)數(shù)十千赫，甚至數(shù)十兆赫，它的要求和低頻應(yīng)用時(shí)不同，電容量并不是主要指標(biāo)，衡量它好壞的則是它的阻抗頻率特性。 要使輸出濾波用電容器在高頻下低阻抗化，必須降低等效串聯(lián)電阻。
4 耐紋波電流
影響電解電容器性能的最主要的參數(shù)之一就是紋波電流問(wèn)題。紋波電流對(duì)鋁電解電容器的影響主要是在ESR上產(chǎn)生功耗使鋁電解電容器發(fā)熱，進(jìn)而縮短使用壽命。紋波電流在ESR上產(chǎn)生的損耗與紋波電流有效值的平方成正比，因而隨著紋波電流的增加，小時(shí)壽命曲線類似于拋物線函數(shù)曲線。
一般而言，反激式變換器產(chǎn)生的開關(guān)變換電流相對(duì)最大。就平板電視為例，為了能承受大電流，需進(jìn)一步降低電容的ESR。
如果ESR小，則在有大電流流動(dòng)時(shí)，電容輸出電壓的下降量也小。伴隨著電流增大而來(lái)的降低ESR的要求，有可能成為推進(jìn)電容替換進(jìn)程的主要原因。相對(duì)于鋁電解電容將近1Ω的ESR來(lái)說(shuō)，多層陶瓷電容的ESR很小，還不到10mΩ。導(dǎo)電性高分子電容的ESR通常為幾十mΩ，ESR比較小的則在10mΩ以下。鋁電解電容也在開發(fā)ESR比較小的品，其ESR大約是一般產(chǎn)品的1/2~1/3。
5 高可靠性
作為輸入濾波和平滑作用的鋁電解電容器，它的質(zhì)量和可靠性直接影響到開關(guān)電源的可靠性。一旦鋁電解電容器失效，就會(huì)導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓電源的故障。
開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器的失效模式有擊穿失效、開路失效、漏液失效及電參數(shù)超差失效。
其中擊穿失效又分為介質(zhì)擊穿和熱擊穿，對(duì)于大功率和大電流輸出的開關(guān)電源用電解電容器，熱擊穿失效常占一定比例；電腐蝕導(dǎo)致鋁引出條斷裂和電容器芯子干涸，使開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器開路失效的主要失效模式；漏液是開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器常見的失效模式，由于使用環(huán)境及工作狀態(tài)較嚴(yán)酷，常發(fā)生漏液失效；開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器在使用中最常見的失效模式是電容量減少、漏電流增大及損耗角正切值增大。
總結(jié)
隨著電子設(shè)備的小型化，越來(lái)越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐壓性能、無(wú)鉛化，這也是電解電容器今后的發(fā)展方向。
小型化、大容量化的電容器可以通過(guò)使用鈮、鈦等新型介電材料及結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)來(lái)達(dá)到。
而低ESR、低ESL化可以通過(guò)新型電解質(zhì)的開發(fā)優(yōu)化工藝及構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)產(chǎn)品將向更高的電壓方向發(fā)展。
在發(fā)展日新月異的信息技術(shù)領(lǐng)域，電容器將始終是關(guān)鍵元件之一，我們將應(yīng)用新技術(shù)、新材料不斷地開發(fā)出順應(yīng)信息時(shí)代需求的高性能電容器。
文章 / 穎特新老司機(jī)
圖片 / 網(wǎng)絡(luò)
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
