电解电容寿命分析
开关电源中电解电容寿命预测分析
开关电源中电解电容寿命预测分析摘要：本文首先阐述了铝电解电容的失效机理探究，接着分析了电容寿命影响因素，最后对电容寿命预测进行了探讨。
关键词：开关电源;电容;失效引言：在开关电源产品中，电解电容是不可或缺的关键储能与电能变换元件。
然而，在高纹波电流、高温的功率变换应用场合中，相对于其他电子元器件，电解电容的寿命是最短的。
因此，电解电容是制约电源产品使用寿命的关键元件。
1铝电解电容的失效机理探究1.1漏液铝电解电容的工作电解液呈酸性,漏出之后会严重污染和腐蚀周围元器件和印刷电路板。
同时,由于漏液而使工作电解质逐渐干涸,丧失了修补阳极氧化膜介质的能力,导致电容器击穿或电参数恶化而失效。
1.2爆炸当工作电压中交流成分过大,或氧化膜介质有较多缺陷,或存在Cl-、SO42-之类有害离子时漏电流较大,电解作用产生气体的速率较快,且工作时间越长,漏电流越大,温度愈高,内气压愈高。
若电容密封不佳可造成漏液,密封良好时则引起爆炸。
1.3开路在高温或潮湿环境中长期工作时可能出现开路失效,其原因是阳极引出箔片遭受电化学腐蚀而断裂。
此外,阳极引出箔片和阳极铆接后如果未经充分压平,则由于接触不良会出现间歇开路现象。
另外,阳极引出箔片和焊片的铆接部分由于氧化也可引起开路。
1.4击穿这是阳极氧化膜破裂,导致电解液直接与阳极接触而造成。
氧化膜可能因材料、工艺或环境条件等方面的各种原因而受到局部损伤,若在损伤部分存在杂质离子或其他缺陷,使填平修复工作无法完善,则在阳极氧化膜上会留下微孔,从而造成击穿。
1.5电容量下降与损耗增大在使用后期,由于电解液损耗较多,溶液变稠,电阻率因黏度增大而上升,使工作电解质的等效串联电阻增大,导致电容器损耗增大。
同时黏度增大的电解液难以充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜,使极板有限面积减小,引起容量急剧下降,导致寿命近于结束。
此外,工作电解液在低温下由于黏度增大,也会造成损耗增大与电容量下降。
日本电解电容使用寿命的分析和计算
ห้องสมุดไป่ตู้
2.弦波
3.合成
I2＝
t × f × Ipeak = 2
0.368 = 0.368 /1.414 = 0.260(A) = 260(mA) / 60(Hz) 2
∑ I
＝
rms
In2 = (260 × 0.3)2 + 3842 = 0.392(A) = 392(mA) /120(Hz)
4.发热
5.寿命
电解电容的行业规定，在额定温度 T0下，加上允许额定纹波电流 I 产生的最大发热△t≤5 deg℃
( ) 因此实际纹波电流为 Ir 时，电容器自身的发热是 ∆T＝∆t
I Ir
2
deg ℃
△t 为额定温度下加上额定纹波电流时电容器允许最大温升（deg℃）,
Ir 电容器额定纹波电流（Arms）,I 为（计算的）实际工作纹波电流（ Arms）
2)分析:根据公式(1)可知
当电解电容工作温度在最高使用温度工作时(即 T0=T)时,由公式(1)计算得到 电 解 电 容 最
小使用寿命为 L = L0 × 20 = L0 即等于额定寿命,比如 8000 小时，8000/8760=0.9 年。 当电解电容工作温度低于最高使用温度 10℃时,由公式(1)计算得到电解电容使用寿命为
5)放电电流 6)纹波电流
dU IDCpeak = C × dt DC IDCRMS = IDCpeak 2 × t DC × frectifier
IRMS =
I2 CRMS
×
I2 DCRMS
1.3.2 功率损耗计算
PNx = P1 + P2 + ... + Pn = I12 × R ESR1 + I22 × R ESR2 + ... + IR2 × R ESR
电解电容寿命
电解电容寿命电解电容是一种重要的元器件，被广泛应用在电子电路中，它具有电容量大、电容小、体积小、响应时间短、阻抗小、稳定性好等特点，因此它在电子电路中应用得非常广泛。
电解电容的寿命是指其在某种环境条件下正常运行所允许的最大时间。
其寿命受多种因素影响，且有其极限，它无论怎样维护都会终究老化，将无法使用。
电解电容的寿命受不同的因素影响，其中最重要的影响因素主要有温度、电流、容压、和电极结构等4种。
首先，温度对电解电容的寿命直接影响，温度越高，电解电容发生迁移极化，电容量变化越快，所以电容寿命越短。
一般而言，电解电容的有效使用温度范围从-25℃到+85℃，当温度超过这个范围时，电容的寿命将会大大降低。
其次，电流对电解电容的寿命也有很大的影响，电流越大，电解电容发生热效应，电容会发生温度损耗，也就是电解质会溶解，因此电容也会老化，其性能会变化，寿命也随之减短。
因此，电解电容的有效工作电流不能超过其额定值。
第三，容压也是一个影响电解电容寿命的主要因素，它指电解电容在工作时所承受的电压，而且这个电压值要低于电容的额定值。
如果容压超过电容的额定值，则电解电容的电容量将会逐渐减小，甚至丧失电容量，最终无法使用，因此要使用的时候注意不要超过额定值。
最后，电解电容的电极结构也会影响其寿命，电极结构越复杂，电解电容的电容量和寿命也会相对较低。
因此，这种类型的电容要慎重选购，以防在使用中发生故障。
以上就是电解电容的寿命所受影响的因素，要想提高其寿命，就要注意控制这几方面的因素。
此外，每台电解电容的寿命在生产出来之后后都会有所不同，为了使各台电容的寿命尽可能接近，在生产过程中也需要提高其品质，这样就能使整批电容的质量更高，其寿命也会更长。
总之，电解电容的寿命是有限的，它受多种因素影响，要想使其寿命更长，必须要提高其品质，使之能够在器件中得到更好的应用，从而使得整个电路能够正常工作，确保其功能的可靠性。
电解电容寿命分析
以下均为简要说明，如有不同看法，请直接点评，同时也为众多LED电源制造商找到一个长寿命的理由。哪些地方不对，请多指教！
我们说一个电解的额定寿命多少小时，都是在其额定参数相同的工作环境下的实际寿命。同时也是设计寿命。
主要影响电解电容寿命的因素有以下几点：环境温度、电压、纹波电流、频率。
以上参数均为我公司的电解选用原则。
再分析一下电解电容的性能衰减特性。
我们说的一个电解电容的寿命结束了，其实并不是所有功能全部失效，而是开始衰减，直到满足不了电解在电路中所起到的作用。那么我们就要看电解在实际电路中所起到的作用，我先说2种用途，1是在PFC电路中，一个是在电源输出端做滤波使用，当电解性能衰减时，PF值会降低，但是即使降低到0.5（不加PFC电路），电源也是一样在工作，输出电流和电压丝毫不会受到影响。而做在输出端作为处理纹波的情况也是一样，只是输出纹波不断增大而已，而这个纹波对LED的确有很大影响，但是绝对不会立刻使LED失效。
额定温度105度，而实测温度为65度 105-65=40度 也就增加4倍。我们选用额定1万度时
8万小时，65度时16万小时，这16万小时暂时先记在这里。
4、工作电压：我们选用的电解额定为63V，实际工作37.2V，我们可以肯定寿命比额定要长，至于长了多少，我们先不管。
1、频率，首先请断定，使用的电解电容为高频电解电容。保证在频率一项不影响您电源的实际工作频率。
2、纹波电流：这个参数在电解规格书里可以查到额定的纹波电流，按照电源本身的纹波电流来选用合适的电解。
以上2项要考虑参数的余量，一般按照1.5倍计算足以。
下面是影响寿命的主要参数
3、环境温度：按照目前最普遍的电容寿命估算方法，实际工作温度比电容额定温度低10度，寿命增加1倍的理论。
电解电容使用寿命的分析和计算
1.1 阿列纽斯(Arrhenius)
1.1.1 阿列纽斯方程 阿列纽斯方程是用来描述化学物质反应速率随温度变化关系的经验公式。电解电容内部是由金属 铝等和电解液等化学物质组成的,所以电解电容的寿命与阿列纽斯方程密切相关。 阿列纽斯方程公式： k=Ae－Ea/RT 或 lnk=lnA—Ea／RT (作图法)
1 概述
作为电子产品的重要部件电解电容，在开关电源中起着不可或缺的作用，它的使用寿命和工作状 况与开关电源的寿命息息相关。
在大量的生产实践与理论探讨中，当开关电源中电容发生损坏，特别是电解电容冒顶，电解液外 溢时，电源厂家怀疑电容质量有问题，而电容厂家说电源设计不当，双方争执不下。
以下就电解电容的使用寿命和使用安全作些分析,给电子工程师提供一些判断依据。
1.1 阿列纽斯(ARRHENIUS).................................................................................................................................. 3 1.1.1 阿列纽斯方程........................................................................................................................................ 3 1.1.2 阿列纽斯结论........................................................................................................................................ 3
电解电容寿命
电解电容寿命电解电容器也叫铝电解电容器，是由长期应用于电子设备中用来储存能量或信号的元件之一。
它们拥有较长的使用寿命，可以在恶劣环境中经受更大的压力，是电子设备中一种可靠性较高的元件。
这一特性也使用电解电容器受到越来越多的应用，从供电中心、个人电脑到汽车电子设备，都正在使用它们来提升性能。
但是，虽然电解电容器的使用寿命很长，它也存在一些潜在的问题，从而影响其最终的寿命。
电解电容器在使用过程中有时会发生热效应，因为它们在使用时会产生一些热量，这会降低电解电容器的使用寿命。
如果操作温度超过其推荐的最大温度，这会使其更快失效。
此外，电解电容器也会被极端电压所影响，超过其推荐的额定电压和极限电压将会使其失效。
此外，电解电容器将会受到电路周围的元件影响，如抗干扰电容器、线圈和电感器。
这些元件的损坏将影响电解电容器的使用寿命。
此外，物理损坏也会对电解电容器产生影响，如物理振动、放射性损坏等，都会对其使用寿命造成影响，使其失效。
在环境条件方面，虽然电解电容器可以经受更大的压力，但也会受到环境温度和湿度的影响。
如果环境温度超过电容器推荐的最大使用温度，这将会减少其使用寿命。
此外，不可忽视的是电容器的湿度，湿度过高会使品的运行效率降低，进而影响其使用寿命。
同时，电解电容器的使用寿命也与制造过程中某些因素有关，如参数杂论、焊接、接触表面质量等，这些因素将直接影响到电解电容器的使用寿命，使其失效。
通过以上分析，可以得出结论：电解电容器的使用寿命受到环境、电路、制造过程中的某些因素的影响，如果受损的情况不是太严重，仍可以达到预期的使用寿命；如果受到的影响比较严重，则将导致电解电容器的提前失效。
因此，在使用电解电容器时，应该尽量减少或避免这些影响因素，以便最大限度地延长其使用寿命，以便更好地满足电子设备的正常使用需求。
bus 电容寿命分析解读
二，电解电容的模型和ESR特性
2.1电解电容的等效电路模型
电流流过电容时，会发生损耗，这个损 耗主要是由电容的ESR引起。
2.2电解电容ESR的特性
随着电容 温度的上 升和频率 的升高， ESR减小
三，分析BUS电容寿命的步骤
3.1 分析BUS电容寿命的步骤
分析电容谐波电流
使用MATHCAD软件 进行分析.通过分析 PFC和INV的谐波电 流得到BUS电容的 谐波
Th Ploss
Ta Life
40°C 2.026W
25.4 °C 13.7年
50 °C 1.722W
37.6 °C 7.7年
60 °C 1.555W
48.8 °C 4.3年
总结
本文主要是介绍BUS电容谐波电流的分析 方法及其寿命的计算.希望帮助我们在设 计之初, 可以更好的选择和使用BUS电容. 本文所推导出的结果,尚未得到试验验证, 接下来,将尝试测试电容内部温度,来验证 本文关于电容寿命的分析方法。
1
I_CAP_INV_S I_CAP_INV_T I_CAP_INV_R
+
Q_INV 1 L1
C1 1800u*5 Q_INV 3
2
0
+
C3 1800uF*5 -BUS Q_INV 4
0
Q_PFC_R2
C2
PFC
D_PFC_R1
INV
4.3.1 PFC流进BUS电容的电流 分析-I_CAP_PFC
60A I1_res_nl( t ( i) ) I2_res_nl( t ( i) ) I3_res_nl( t ( i) ) 20 40
R
S
T
铝电解电容寿命
铝电解电容寿命
铝电解电容的寿命通常是以工作时间来衡量的，而不是以具体的年限。
铝电解电容的寿命取决于其使用环境、工作温度、工作电压、电容负载情况等因素。
一般而言，铝电解电容的寿命在几千至数万个工作小时之间。
高品质的铝电解电容可以达到更长的寿命，而低质量或过度负载的情况下则可能寿命较短。
另外，铝电解电容的寿命也与其使用情况和维护有关。
例如，如果电容器操作在额定电压和温度范围内，并且受到适当的保护和使用，那么它的寿命将更长。
总之，铝电解电容的寿命是多方面因素综合影响的结果，具体的寿命需要根据实际情况进行评估，无法给出具体的数字。
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电解电容寿命分析
像其它电子器件应用一样 , 电解电容同样遵循一种被称为“Bathtub Curve”的失效率曲线。
其表征的是一种普遍的器件（设备）失效率趋势。
但在实际应用中，电解电容的设计可靠性一般以其实际应用中的期望寿命（ Expected Life ）作为参考。
这种期望寿命表达的是一种磨损失效（ wear-our failure ）。
如下图所示，在利用威布尔概率纸（ Weibull Probability Paper ）对电解电容的失效率进行分析时可看到在某一使用期后其累进失效率曲线 (Accumulated Fallure Rate) 斜率要远大于 1 ，这说明了电解电容的失效模式其实为磨损失效所致。
影响电解电容寿命的因素可分为两大部分：
1) 电容本身之特性。
其中包括制造材料（极片、电解液、封口等）选择及配方，制造工艺及技术（封口方式、散热技术等）。
2) 电容设计应用环境（环境温度、散热方式、电压电流参数等）。
电容器件一旦选定，寿命计算其实可归结为自身损耗及热阻参数的求取过程。
1 、寿命评估方式
电解电容生命终结一般定义为电容量 C 、漏电流（ I L）、损耗角（ tan δ）这三个关键参数之一的衰退超出一定范围的时刻。
在众多的寿命影响因素中，温升是最关键的一个。
而温升又是使用损耗的表现，故额定寿命测试往往被定为“在最大工作温度条件下（常见的有 85degC 及 105degC ），对电容施以一定的 DC 及 AC 纹波后，电容关键参数电容量 C 、漏电流（ IL ）、损耗角（ tan ）的衰竭曲线”。
如下图所示：
2 、环境温度与寿命的关系
一般地（并非绝对），当电容在最大允许工作环境温度以下工作时（一般最低到 + 40degC 的温度范围），电解电容的期望寿命可以根据阿列纽斯理论（ Arrhenius theory ）进行计算。
该理论认为电容之寿命会随温度每十摄氏度的上升而减半（每上升十摄氏度将在原基础上衰减一半）。
从而可以得到如下寿命曲线以及用于计算寿命的环境温度函数 f(T )：
环境温度函数 f(T ) ：
在一些纹波电流很小以致其在 ESR 上损耗引起的温升远远小于环境温度的作用时（例如与几乎无纹波的 DC 电源并联使用），即可认为电容器里面的热点温度与环境温度相等。
一般可以按下式进行寿命计算：
L OP=LoXf(t)
一个稳定的损耗将引起电容外壳温度由环境温度（ Tambient ）上升到另外的一个稳定温度 (Tcase) 。
电容器热点温度（即真正影响寿命的最高电解液温度 Thotpoint ）热
从上公式可看出，外壳温升△ t 不但跟损耗有关，还跟外壳到环境间的热阻有关。
而损耗不但跟交流纹波电流有关，还跟电容损耗角及纹波频率有关。
2）纹波电流的频率系数（ Frequency Coefficient ）概念
从以上的电解电容 ESR 特性可以知道，其 ESR 会随着频率的不同而不同。
而在实际应用中施加在电容上的纹波往往并非某一频率的标准正弦波。
这使得 ESR 损耗的计算变得很困难。
但在实际的电源应用中，其纹波往往为周期性的非正弦函数形式。
此种函数在数学上可以转换为离散的频谱函数。
离散的频谱函数使得即使不借助数学工具亦可进行损耗计
将任一频率标准正弦电流有效值除以对应的频率系数即可归一到标准正弦电流有效值上。
此归一后的值与电容器在标准频率下 ESR 值直接进行 Irms2XResr 计算即可得到其损耗表达。
频率系数并非一固定值，其与要进行转换的频率点及电容种类都有关系，通常可以从规格书目中找到。
注意：不同制造商有自己的频率系数对照表或曲线，计算时须找到对应的规格书，不能简单通用。
5 、电解电容的寿命预计算（可参考‘电容寿命设计步骤’一文）
在电路的设计阶段对电解电容进行寿命预计算是进行电容选择及寿命、安全评估的最初方法。
然而寿命的预计算却跟制造商、电容种类、使用环境的不同而有不同的计算公式。
以上分析只是各应用因素分别对寿命的影响关系。
最终的寿命表现将是所有因素的综合作用结果。
虽然各电解电容的寿命计算公式不尽一致（甚至还需要套用一些看似没有任何物理意义的公式），但其还是遵从一定的基本原则：
寿命计算式基本可分成三部分：
（1）基本寿命 Lo ：由外壳体积，热辐射性能，制造工艺等决定。
最大环境温度及最大纹波电流下的寿命就是基本寿命。
厂商都会提供或在产品说明书中注明。
给定一个电容，就给定了其 Lo 。
理论上频谱量取得越多，计算结果越准确，但在实际计算中，如无法进行无限量的相加。
可以取频谱量中的 95 ％以上分量即可。
第四步：纹波电流在 ESR 上的损耗计算
有两种方法：
如果得到的是 ESR 的频率曲线，则可以任意取到某一频率处的 ESR 值，与各频谱量进行 In2Rn 的损耗计算，然后再将所有频谱量相加。
如果得到的是 ESR 的频率矩阵（即提供的频率点非常有限，而且频率点已定）。
实际应用的电流频谱量往往较为分散，处理方法是将各给定频率点处附近的频谱量进行集合到此给定的频率点上来得到对应的 Ik_rms ，然后再与各给定频率点处的 ESR 值进行 In2 Rn。