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开关電(diàn)源适配器中電(diàn)解電(diàn)容器的失效机理(lǐ)

发布时间:2021.11.24 15:32 浏览次数:223
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开关電(diàn)源适配器的長(cháng)期性能(néng)及使用(yòng)寿命,应主要考虑電(diàn)解電(diàn)容的预期寿命。電(diàn)解電(diàn)容内部的電(diàn)解液最终会蒸发,使電(diàn)容值下降,降至某一值以下时,我们可(kě)以宣布電(diàn)容”死亡”,不能(néng)再使用(yòng)。多(duō)数制造商(shāng)都规定了電(diàn)容的有(yǒu)效寿命,这指的是電(diàn)容值在初始電(diàn)容值的基础上仅降低20%。但是要记住電(diàn)容的初始電(diàn)容值就已经是-20%的(通常初始的公差是±20%)。因此電(diàn)容寿命终了时的容值為(wèi)0.8*0.8=0.64,也就是说比额定值少36%(并非20%+20%=40%)。如果電(diàn)容量是100uF,当寿命终结时,最恶劣的情况是容值仅為(wèi)64uF.因此如果你设计的電(diàn)源适配器中的電(diàn)容值比较低,意外将很(hěn)快发生,保持时间将很(hěn)快变得不足。即使是正常运行时输入纹波也将变得非常大,以至于它的“平均值”显著下降,尤其当電(diàn)源電(diàn)压低时。所以,随着时间的增長(cháng),管子的发热将越来越严重。效率会恶化,输出纹波也会增加,很(hěn)可(kě)能(néng)使开关電(diàn)源适配器运行不正常。因此,如果你计算出所需要的電(diàn)容值為(wèi)100uF,那么实际上你应选用(yòng)初始容值為(wèi)C=100/0.64=156uF的電(diàn)解電(diàn)容,总是要选用(yòng)比计算值大56%的電(diàn)容。
那么電(diàn)解電(diàn)容超过它的有(yǒu)效寿命时会发生什么呢(ne)?换句话说,假设直到100uF的電(diàn)容寿命结束,電(diàn)容值降到64uF為(wèi)止,你的开关電(diàn)源适配器都是工作正常的。你能(néng)指望老天会让你的電(diàn)源适配器多(duō)正常运行几年吗?当然不会,因為(wèi)電(diàn)解電(diàn)容寿命的结束基于两个重要的标准,即容值降低20%,和耗散因素增加200%。耗散因素(DF)定义為(wèi)阻尼電(diàn)阻ESR与容抗的比值(120Hz时)。因此一个100uF的電(diàn)容,若其ESR為(wèi)1欧姆,则其DF值在120Hz时為(wèi)ESR*2πfC=0.075。试着记住这个值,还要记住DF与ESR和C(以及频率)成正比。这有(yǒu)助于你迅速弄明白ESR和DF间的关系。注意,DF也称為(wèi)损耗角正切或损耗角。一般而言,对于電(diàn)容,如果额定容值等于或大于10uF,则标准测量频率為(wèi)120Hz,否则為(wèi)1KHz。但对于電(diàn)解電(diàn)容,这一测试频率总是固定為(wèi)120Hz。你可(kě)以在选用(yòng)的電(diàn)解電(diàn)容的数据手册中得到确认。
如果假定電(diàn)解電(diàn)容在其寿命终结时,容值下降了20%,同时使DF也下降了20%。由计算得出,此时ESR增加了200/0.8=250%。也就是说,在電(diàn)容器寿命结束时,尽管電(diàn)容值可(kě)能(néng)下降的不多(duō),但ESR却增加了2.5倍。因此,如果電(diàn)容的作用(yòng)是消除高频交流纹波(如降压和升压开关電(diàn)源适配器的输入滤波電(diàn)容,或者是输出滤波電(diàn)容),它的发热将增加2.5×2.5=6.25倍。那么结果会怎么样呢(ne)?当然,效率会受到明显的影响,但别忘了热是使電(diàn)解電(diàn)容電(diàn)解液变干的首要因素。因此,热失控现象即将发生,发热越多(duō)—ESR越大—发热更多(duō)—ESR更大。
让我们总结一下電(diàn)容老化过程中的几个关键因素。
1. 電(diàn)容端口的密封性能(néng)。任何结合处的性能(néng)都不能(néng)百分(fēn)之百地理(lǐ)想,随着时间的增加,蒸发就会慢慢发生。我们可(kě)以选择供货质量好的供应商(shāng)。原则上,可(kě)以将電(diàn)容完全密封起来,比方说将其完全浸入到环氧树脂或超强力的胶水中。 但電(diàn)解電(diàn)容的设计有(yǒu)排气孔,用(yòng)来在高压时将蒸汽派出(非常像高压锅)。然而,尽管采取了如此多(duō)的安全性措施,但我们还是见到一些電(diàn)解電(diàn)容器发生了强烈的爆炸。
2. 环境温度。热可(kě)能(néng)来自周围功率器件或来自本身内部热损耗。如果温度比较高,蒸发率会上升使寿命缩短。
3. 内核温度。因為(wèi)電(diàn)容器内部的导热性并不完美,所以我们认為(wèi)電(diàn)容内部有(yǒu)一些热点。在最坏情况下,热点温度成為(wèi)计算寿命所使用(yòng)的温度。
4. 阻尼電(diàn)阻ESR。显然,ESR会影响内部热损耗,很(hěn)可(kě)能(néng)使温度升高并加速蒸发过程。
5. 频率。由于ESR是频率的函数,因此频率将间接地影响電(diàn)容的寿命。
6. 纹波電(diàn)流。電(diàn)解電(diàn)容数据手册中最重要的参数是额定纹波電(diàn)流。通常指的是频率為(wèi)120Hz,温度為(wèi)105℃情况下的電(diàn)流有(yǒu)效值。额定纹波電(diàn)流本质上的含义為(wèi),如果环境温度為(wèi)最大额定温度105℃,且電(diàn)容流过大小(xiǎo)為(wèi)前述有(yǒu)效值的電(diàn)流,電(diàn)容的寿命将和预期寿命相等。在这样的条件下,電(diàn)容寿命通常在2000小(xiǎo)时到10000小(xiǎo)时之间。在开关電(diàn)源中,基本不使用(yòng)85℃的電(diàn)解電(diàn)容,因為(wèi)环境温度高时,它们无法满足寿命要求。

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