铝电解电容寿命计算
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铝电解电容的寿命电源产品中经常用到铝电解电容，他的寿命往往决定了整个产品的寿命。
因此，了解如何计算铝电解电容的寿命很有必要。
下面将我的一些心得整理出来，供大家参考。
希望有助于提高国人的知识水平。
说白了很简单，只不过很多人找不到相关的资料而已。
同时也希望学校的教材中能够近早讲解相关知识。
我尽量少翻译，因为我的语言能力及相关的专业术语还不行。
仅供参考。
Chapter 1铝电解电容的特性1.1 Circuit model （等效模型）The following c ircuit models the aluminium electrolytic capacitor’s normal operation as well as the over voltage and reverse voltage behavior. （此模型包含正常运行，过压，反压时的特性）C AC cR P ESR LD = Anode capacitance (阳极电容)= Cathode capacitance(阴极电容)= Parallel resistance, due to dielectric (并联电阻)= Series resistance, as a result of connections, paper, electrolyte, ect. 等效串联电阻= Winding inductance and connections 等效串联电感= Over and reverse voltage 等效稳压管The capacitance Ca and Cc are the capacitance of the capacitor and is frequency and temperature depended. （Ca and Cc，它的容量是频率及温度的函数）The resistance ESR is the equivalent series resistance which is frequency and temperature depended. It also increases with the rated voltage. （ESR是频率及温度的函数，随着额定电压的增加而增加）The inductanc e L is the equivalent series inductance, and it’s independent for both frequency and temperature. It increases with terminal spacing. （L是频率及温度的函数）The resistance Rp is the equivalent parallel resistance and accounts for leakage current in the capacitor. It decreases with increasing the capacitance, temperature and voltage and it increases with time. （Rp的大小决定了漏电流的大小，随着容量温度电压的增加而降低，随着使用时间的延长而增加）The zener diode D models the over voltage and reverse voltage behavior. Application of over voltage on the order of 50 V beyond the capacitor’s surge voltage rating causes high。
（D模拟过压及加反向电压时特性）Leakage current and a constant voltage-operating mode quite like the reverse conduction of a zenerdiode. Applications of reverse voltage much beyond 1.5 V causes high leakage current quite like the forward conduction of a diode. Neither of these operating modes can be maintained for long because hydrogen gas is produced, and the pressure built up will cause failure. （加到电容两端的反向电压不能大于1.5V）1.2 Capacitance （电容的容量）The rated capacitance is the nominal capacitance and it is specified at 120 Hz and a temperature of 25°C. Capacitance is a measure of the energy storage capability of a capacitor at a given voltage. （额定容量： 标称电压，120Hz, 25°C 时测量）。
The capacitance decreases under load conditions and increases under no load conditions over time. When reverse voltage or excessive ripple current is applied, or when the capacitor is repeatedly charged and discharged, an aluminium oxide film is formed on the cathode foil. This film induces a sharp capacitance drop. Capacitance in aluminium electrolytic capacitors is also affected by frequency changes. For example, the capacitance falls as the frequency rises. Variation of magnitude depends on capacitor type. （电容上的纹波电流，频繁地充放电导致阴极箔氧化，容量急剧下降）1.3 Equivalent series resistance (ESR)The equivalent Series Resistance (ESR) is the sum of all the internal resistances of a capacitor measured in Ohms. It includes:- Resistance due to aluminium oxide thickness- Resistance due to electrolyte / spacer combination- Resistance due to materials (Foil length; Tabbing; Lead wires; Contact resistance) At low frequencies (10 – 100 Hz) the ESR is determined by the oxide thickness,electrolyte / spacer combination and the materials. Above the 100 Hz electrolyte / spacer combination and the materials predominate.The lower the ESR the higher the current carrying ability the capacitor will have. The amount of heat generated by ripple current depends upon the ESR of the capacitor.ESR is both frequency and temperature dependent, increasing either will cause a reduction in ESR. The ESR is an important parameter in calculating life expectancy as the power dissipation (internally generated heat) is directly proportional to its value.The limit is generally established at 120 Hz and 20º C.The ESR of the electrolytic capacitor can cause another effect, especially above the 10 kHz where the ESR is the dominant contribution to the capacitors impedance.When a current charges / discharges the capacitor, the voltage across the capacitor will increase / decrease:dtdVCI = and causes a voltage drop over the ESR （流过电容的充放电电流因为ESR 而产生纹波电压） ESR I V ⋅=如果电容由低占空比，高频脉冲电流充电时， 比较典型的是fly-back 电源的输出滤波电容，ESR 引起的纹波电压是最重要的，导致必须选用合适ESR 的电容来满足要求。
铝电解电容寿命计算
铝电解电容器寿命计算公式一、考虑实际施加纹波电流的计算方法正常情况下，影响电容器寿命的因素主要有三个，分别为环境温度、纹波电流、实际施加的电压。
电容器实际使用寿命的推算可用下面的公式表示：L X=L0〃K T〃K V〃K R其中L X：电容器实际使用寿命L0：电容器在额定条件下的寿命K T：电容器温度系数K V：电容器电压系数K R：电容器纹波电流系数1、K T 铝电解电容器的使用遵循10℃原则，即使用温度每降低10℃，寿命延长一倍。
K T的计算如下：K T=2（T0-T）/10其中T0：额定温度T：电容器实际工作温度2、K V 对于表面安装、引线、轴向式的铝电解电容器来说，降压使用不会对电容器的使用寿命造成影响。
因此，对于这些产品来说，K V=1。
但对于特大型产品，电容器在使用过程中，电压的大小影响其寿命，一般有如下关系：K V=（U1/U2）n其中U1：额定工作电压U2：实际工作电压n：系数，当1≤U1/U2≤1.25 n=51.25≤U1/U2≤2 n=3U1/U2＞2 n=13、K R 实际的工作情况下，电容器纹波电流的系数由下式确定：K R=2A〃ΔT0/10其中A=﹛1-﹝I/I0﹞2﹜I：额定纹波电流(同频率)I0：实际纹波电流(同频率)ΔT0：额定温度下，铝电解电容器中心允许温升二、利用电容器温升的计算方法我们也可以通过测试电容器在实际使用过程中的温度升高来推算电容器的使用寿命，具体的计算方法如下：L x=L0〃2（T1-T2）/10 〃（U1/U2）2.5其中L0：电容器在额定条件下的寿命L2：电容器实际使用寿命T1：电容器中心允许承受的最高温度T2：电容器工作时的中心实际温度U1：电容器的额定电压U2：电容器的实际工作电压注: 电容器允许承受的最高温度一般是在额定温度上加5度或10度。
对于85度电解, 允许承受的最高温度是95度;对于105度电解, 允许承受的最高温度是110度。
铝电解电容寿命计算公式
20,000hrs
9
温度测定方法
A) 取得周围温度方法
机器
实际电容器
模仿电容器
寿命计算式
原本
CONFIDENTIAL(秘密的)
测量站
推荐
实际电容器 10
寿命计算式
温度测定方法
B)单元中心发热温度测定方法
测定的三种方法
准确
1) 单元中心温度测定
2) 周围温度/电容器表面温度测定
3) 纹波电流测定>>>发热温度计算
容易
11
CONFIDENTIAL(秘密的)
寿命计算式
温度测定方法
B)单元中心发热温度测定方法
1. 单元中心温度测量 ΔTx=单元中心温度–周围温度
ਗ਼ᆠཥਅౢɝཥ࢙ኜ裡ࠦԨҪ̴܆ৎ來
优点 : 比较准确 缺点 : 需要額外工作樣品
(我们会准备样品与热电偶) 只能在測量時使用
12
CONFIDENTIAL(秘密的)
ΦD (mm)
30
35 40 50 63.5 76
89 100 -
Factor α 1.5 1.65 1.75 1.9 2.2 2.5 2.8 3.1 -
13
CONFIDENTIAL(秘密的)
寿命计算式
温度测定方法
B)单元中心发热温度测定方法
3.纹波电流测定 发热温度计算
ॆ์䕚䕚ྲྀܗ
例)周围温度105度 vs 85度
周围温度
寿命
单元中心 计算推定寿命 发热温度
105℃ 2000时间
5℃
2000时间
85℃
8000时间
15℃
2000时间
铝电解电容寿命计算
铝电解电容寿命计算
一、老化速率的估算：
1.上电老化法：
将电容器以额定电压上电，根据老化加速现象，可以通过一定时间的
上电老化来模拟长时间的使用情况，然后通过测量电容值和电阻值的变化
来估算老化速率。
2.高温老化法：
将电容器置于高温环境下，在一定时间内观察电容值和电阻值的变化
情况，通过测量结果推算老化速率。
二、寿命预测的评估：
寿命预测是指根据老化速率估算结果，结合已知的老化模型和工作条件，来评估电容的使用寿命。
寿命预测主要包括以下几个方面：
1.应力与老化模型分析：
分析电容在不同工作条件下所受的应力，包括电压应力、温度应力、
电流应力等，通过建立老化模型，估算电容的老化速率。
2.寿命试验与寿命模型：
进行一系列的寿命试验，通过测量电容值和电阻值的变化来评估电容
器的寿命。
同时，根据试验数据建立寿命模型，并根据模型进行寿命预测。
3.可靠性评估：
通过对电容器寿命的评估来评估电路的可靠性，从而预测系统的可靠性。
可靠性评估一般包括寿命试验、故障数据分析、可靠度预测等。
总结起来，铝电解电容寿命计算主要包括老化速率的估算和寿命预测的评估。
通过对电容的老化机制、应力分析和寿命模型的建立，可以对电容器的使用寿命进行估算和预测。
这对于电子设备的可靠性设计和电路寿命评估具有重要意义。
铝电解电容可靠性--寿命估算
铝电解电容寿命的简单推算1) 不含有纹波电流工作状态的铝电解电容器的推算。
基本依据为“10℃法则”，即环境温度每上升10℃寿命减半，反之亦然。
这个10℃法则只在零纹波电流条件下适用，在铝点解电容流过比较大的纹波电流时不一定适用。
2） 公式推算。
在额定电压下，铝电解电容器的寿命可以由下式计算：)10(200TT L L -⨯= 式中，L 和0L 分别为实际环境温度T 时的寿命和额定最高温度0T 时的寿命。
上面的推算方法仅适用于存储状态和无纹波电流（很小纹波电流）的工作状态，对于明显含有纹波电流的场合上述方法不一定适用，这时候应该将纹波电流的效应考虑在应用条件中。
铝电解电容寿命估算 环境因子 包括环境温度，应用电压，纹波电流voltage tem p K K Lr Lx ⨯⨯=Lx 估算的寿命 Lr 寿命基数temp K 温度系数 voltage K 电压系数环境温度系数铝电解电容器是一种电化学元件，化学反应速度遵循Arrhenius 方程10)(0002r T T tem p L K L Lr -⨯=⨯= 10)(02r T T tem p K -=Lr 估算寿命0L 寿命基数 0T 最高额定温度 r T 实际环境温度电压系数voltage K =1纹波电流的影响DC AC W W W +=D C D C e AC I V R I W ⨯+⨯=2W 内部功率损耗AC W 电源纹波电流造成的功率损耗 DC W 直流电源造成的功率损耗 AC I 纹波电流e R 纹波频率下的ESRDC V DC 电压 DC I 漏电流如果DC 电压在额定电压下，漏电流远远小于纹波电流，纹波功率损耗远大于直流功率损耗。
功率损耗计算公式：e AC A R I W W ⨯==2电容温度提到到一定程度，内部产生的热量与热辐射平衡。
平衡的温度计算公式。
T A R I e AC ∆⨯⨯=⨯β2 所以AR I T eAC ⨯⨯=∆β2=β热辐射常数W⨯3-10℃2cm=A 表面面积)(2Cm 、对L D ⨯ψ电容)4()4/(L D D A +=πT ∆由于纹波电流导致的核心温度上升使用条件与铝电解电容寿命的关系在很多应用中 铝电解电容器中将流过纹波电流，甚至是非常高的纹波电流。
变流器直流母线铝电解电容容值及寿命计算
变流器直流母线铝电解电容容值及寿命计算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 阿列纽斯(Arrhenius)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)●K化学反应速率●R为摩尔气体常量●T为热力学温度●Ea为表观活化能●A为频率因子1.2 阿列纽斯结论根据阿列纽斯方程可知,温度升高，化学反应速率（寿命消耗）增大，一般来说，环境温度每升高10℃，化学反应速率(K 值) 将增大2-10 倍，即电容工作温度每升高10℃，电容寿命减小一倍,电容工作温度每下降10℃，其寿命增加一倍，所以,环境温度是影响电解电容寿命的重要因素。
2 电解电容使用寿命分析1)公式:根据阿列纽斯方程结论可知，电解电容使用寿命计算公式如下：●L环境温度为T 时电解电容使用寿命（hour）●L0最大温度时电解电容的额定寿命(hour)●T0电解电容额定最高使用温度（deg℃）●T环境温度（deg℃）●T0-T 温升（deg℃）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L=L0×2[T0-(T0-10℃）]/10℃=L0×21即等于额定寿命的2倍,即16000小时,16000/8760=1.8264年。
电解电容寿命计算公式 说明(1)
代号
I0 IX
4、关于其他的寿命原因：
代号表示内容说明 最高使用温度下正常周波数的额定纹波电流(Arms)
实际使用中的纹波电流(Arms)
铝电解电容由于电解液通过封口部扩散到外部而导致磨耗故障，加速其现象的要因除上述周围温度与
纹波电流外有以下要因：
●过电压的情况
连续印加定格电压的过电压时，急速增大制品的漏电流量，这种漏电流引起发热产生气体，并导致内压
铝电解电容器的使用寿命计算公式
1、周围温度与寿命
温度对寿命的影响有静电容量的减少，损失角正接的增大，导致电解液通过封口部扩散到外部，电气
特性随时间的变化值与周围温度间成立试验公式，其关系式类似于温度增加，化学反应速度成指数倍 增加之化学反应规律式，称之为温度与铝电解电容寿命10℃法则。
LX=L0×B
W=IR2×R+VIL
代号
代号表示内容说明
W
内部的消费电力
IR
直流电流
R
内部阻抗等效串联电阻 ESR
V
印加电压
IL
漏电流
漏电流 LC最高使用温度增加到20℃的 5-10倍程度，由于 I R远大于IL，可成立如下公式：
W=IR2×R
◆ 内部发热与放热达到平衡温度的条件公式如下：
IR2×R=βA△T
代号
T0 - TX 10
代号
代号表示内容说明
L0
最高温度条件下，印加定格电压或重迭额定纹波电流时的保证寿命(hrs)
LX
实际使用中的寿命(hrs)
T0
制品的最高使用温度(℃)
Tx
实际使用时的周围温度(℃)
B：温度加速系数 温度加速系数 B，如果是最高使用温度以下时，可以用 B≈2来计算，升温 10℃，约 2倍的加速率； 设定较低的使用时的周围温度 T X，能保证长期的寿命。 2、印加电压与寿命 使用在线路板上的 RADIAL型、SNAP-IN型铝电解电容，若在最高使用温度及额定工作电压以下的情况 使用时，印加电压的影响比周围温度及直流电流的影响小，对于铝电解电容来说，实际计算可以不考虑 降压使用对寿命计算之影响。 3、纹波电流重迭时的寿命 铝电解电容比其他类的电容损失角大，会因纹波电流而内部发出热量。由于施加的纹波电压发出的热量 会导致温度上升，对寿命有很大影响，印加电流电压时的发热情况如下公式来计算：
铝电解电容寿命试验规律
铝电解电容寿命试验规律
电容c的计算公式：c=εs/4πkd 。
其中，ε是一个常数，s为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。
在电容元件两端电压u的参考方向给定时，若
以q表示参考正电位极板上的电荷量，则电容元件的电荷量与电压之间满足q=cu。
定义式： c=q/u。
电容器的电势能计算公式：e=cu^2/2=qu/2=q^2/2c。
多电容器并联计算公式：c=c1+c2+c3+…+cn。
多电容器串联计算公式：1/c=1/c1+1/c2+…+1/cn。
三电容器串联：c=（c1*c2*c3）/（c1*c2+c2*c3+c1*c3）。
电容优点：
1、高稳定性
液态铝电解电容可以持续在高温环境中平衡工作，采用固态铝电解电容可以轻易提高
主板性能。
同时，由于其阔温度范围的平衡电阻，适合电源滤波。
它可以有效地提供更多
平衡丰沛的电源，在超频中尤为重要。
2、寿命长
固态铝电解电容具备极长的使用寿命(使用寿命少于50年)。
与液态铝电解电容较之，可以算是“长命百岁”了。
它不能被打穿，也不必害怕液态电解质干枯以及泄漏影响主板
稳定性。
由于没液态电解质诸多问题的所苦，固态铝电解电容并使主板更加平衡可信。
3、低esr和高额定纹波电流
esr(equivalentseriesresistance)指串联耦合电阻，就是电容非常关键的指标。
esr
越高，电容充放电的速度越慢，这个性能直接影响至微处理器供电电路的脱藕性能，在高
频电路中固态电解电容的高esr特性的优势更加显著。
铝电解电容寿命的计算
铝电解电容寿命的计算每个厂商都有自己的计算方法，但都遵循一定的原则：温度极大的影响铝电解电容内的电解液的扩散速度。
根据Arrhenius 的物理定律，温度每升高10 度，电解液的扩散速度加倍；换句话说，铝电解电容的寿命缩短一倍。
A physic law (According the Arrhenius law) teaches us that increasing the temperature 10 °C will double the diffusion of e lectrolyte.为了便于计算和理解，将其分成三部分：（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。
（2）环境温度函数f(T) ：电解液的扩散（3）纹波电流函数f(I) ：ESR 引起的热损耗后两者导致铝电解电容核心温度上升，电解液的扩散速度加快。
根据Arrhenius 定律：L 与成反比，Tj : 电解电容的核心温度热阻定律：；Ta:电解电容周围的温度，即环境温度；Tc: 电解电容外壳的温度因为Ta 不易测出，但Tc 很好测量；可以根据Tc 算出Ta；环境温度函数f(T) ：2.2 以下均为个人观点，不能100% 正确。
在厂商提供的数据中一般包含：后缀为0 ，则认为是厂商提供的极限值最高（环境）温度Ta 0 ：一般选用105 度的电解电容最大环境温度下最大允许的纹波电流Ip 0 , 它的校正系数为 1 ；120Hz 或100kHz ，不同的厂家有不同的表示方法校正系数Correction coefficient ：不同频率纹波电流之间的关系在Ta 0 和Ip 0 条件下所产生的温升：D Tj 0 ；本人认为是核心与外壳之间的温差，也可能是核心与Ta 0 之间的温差下表是Rubycon BXA 系列电容不同频率纹波电流之间的关系series frequency correction factor tableFrequency [ Hz ] 120 1k 10k 100k =<Correction coefficient 0.50 定义为C LF0.8 0.91.00 定义为C HF注意：有的厂家定义120Hz 时校正系数为 1 ，有的厂家定义100kHz 时校正系数为1 。
铝电解电容器寿命的计算方法
铝电解电容器寿命的计算方法LIFETIME CALCULATION FORMULA OF ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITORS铝电解电容的寿命的计算公式1. Lifetime Calculation Formula 寿命计算公式L : Life expectancy at the time of actual use. 实际使用平均寿命Lb : Basic life at maximum operating temperature 最大工作温度下的基本寿命Tmax : Maximum operating temperature 最大工作温度Ta : Actual ambient temperature 实际环境温度ΔTjo : Internal temperature rise when maximum rated ripple current is R, USC, USG : 10℃VXP : 3.5℃Other type : 5℃ 加上最大额定波纹电流后，电容器的内部温升USR, USC, USG :：10℃VXP ： 3.5℃其它类型：5℃ΔTj : Internal temperature rise when actual ripple current is applied. 加入实际波纹电流后，电容内部的温升F : Frequency coefficient 频率系数［这个不李理解］Io : Rated ripple current at maximum operating temperature 最高工作温度时的额定波纹电流I : Actual ripple current 实际波纹电流2. Ambient Temperature Calculation Formula 环境温度计算公式If measuring ambient temperature (Ta) is difficult, Ta can be calculated from surface temperature of the capacitor as follows. .Ta = Tc –ΔTj/α 如果测量环境温度Ta有困难，Ta可以根据电容器的表面温度按下式计算：Ta = Tc –ΔTj/αTa : Calculated ambient Temperature 计算所使用的环境温度Tc : Surface Temperature of capacitor 电容器的表面温度α : Ratio of case top and core of capacitor element ［此处不太理解］CaseφD ≤ 8 10,12.5 16, 18 20, 22 25 30 35α 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.63. Ripple Current Multiplier 额定电流系数(1) Temperature coefficient 温度系数Temperature coefficients are shown as below. 温度系数选取如下：USR, USC, USG:Ambient Temp.(℃)环境温度85 ≤65Coefficien 系数 1.0 1.3Other 85°C type:Ambient Temp.(℃)环境温度85 70 ≤50Coefficien 系数 1.0 1.6 2.0105°C type:Ambient Temp.(℃)环境温度105 85 ≤65Coefficien 系数 1.0 1.7 2.1Note: Where the temperature coefficient is used, life extension cannot be expected any more because the temperature coefficient is set up on condition of the same life time at maximum operating temperature. 注意：使用温度系数，不可指望寿命延长，因为温度系数是建立在最高工作温度下的相同寿命条件下的。
铝电解电容寿命计算
取得纹波电流发热方法
1.单元中心温度测量 2.表面温度测量 3.纹波电流计算
19
Ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌ
单元中心温度测量
ΔTx=单元中心温度–周围温度
将热电偶插入电容器里面并把它密封起来
优点 : 比较准确 缺点: 需要额外工作样品 只能在测量时使用
20
Ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌ
表面温度测量
热电偶
ΔTx=(表面温度–周围温度)×系数α
•
发热计算
(150/287)2 x 5 = 1.4
2.
寿命计算
Lx 2000 1.7
125 105 10
2
105 85 10
2
1.4 5
= 19,041Hrs
35
Ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌ
寿命计算例（复合条件）
计算条件； •产品； EMVH350ADA221MJA0G •保证寿命； 125℃2000hrs •额定纹波电流；296mArms/125℃,100kHz •条件Ａ；105℃，⊿T…5℃ 2,890hrs， 每一天１个小时(4.2%) •条件Ｂ；85℃， ⊿T…4.7℃ 12,051hrs， 每一天３个小时(12.5%) •条件Ｃ；65℃， ⊿T…3.5℃ 56,928hrs， 每一天４个小时(16.7%） •条件D； 40℃， ⊿T…0℃ 523,146hrs，每一天１６个小时(66.6%）
2
To T a
Lx (hrs):推定寿命, Lo (hrs):最大温度时候,保证寿命 (℃):实际使用周围温度, ⊿To (℃):额定纹波电流发热温度
⊿T (℃):纹波电流发热温度, a :⊿T ＞5… 5, ⊿T≦5…10
15
Ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌ