聚合物固态铝电解电容器在开关电源中的应用
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。
铝质电解电容器简介
铝质电解电容器简介
铝质电解电容器使用需知
– 极性 (Polarity) :铝电解电容器一般是有极性的,极性反接是造成铝电解电容器短路损坏及漏液的原因, 铝电解电容器一般是有极性的,极性反接是造成铝电解电容器短路损坏及漏液的原因, 因此在无法辨认电气回路之极性或使用於有极性变换设计之回路时,请选用无极性电解电容器. 因此在无法辨认电气回路之极性或使用於有极性变换设计之回路时,请选用无极性电解电容器. – 过载 (Over Voltage) :请勿连续施加电压.当电压过载时电解电容器的漏电流会急速增加,所以电解电容器 :请勿连续施加电压 当电压过载时电解电容器的漏电流会急速增加, 请勿连续施加电压. 之工作电压不应超过额定值. 之工作电压不应超过额定值. – 使用温度和寿命 (Operating temperature and life) :电解电容器之使用温度请勿超过最高使用温度之设定 :电解电容器之使用温度请勿超过最高使用温度之设定 范围.电解电容器的寿命取决於使用温度,一般来说当电解电容之使用温度降低10℃ 10℃时 其寿命将增为两倍, 范围.电解电容器的寿命取决於使用温度,一般来说当电解电容之使用温度降低10℃时,其寿命将增为两倍, 因此电解电容器应尽可能地在较低温度下使用. 因此电解电容器应尽可能地在较低温度下使用. – 防爆孔 (Vent) :有防爆孔设计之电解电容器其使用时防爆孔应与其它机构保持最少3mm上之空间距离,如此条 :有防爆孔设计之电解电容器其使用时防爆孔应与其它机构保持最少3mm上之空间距离, 有防爆孔设计之电解电容器其使用时防爆孔应与其它机构保持最少3mm上之空间距离 件不能满足的话,防爆孔将无法正常运作. 件不能满足的话,防爆孔将无法正常运作. – 纹波电流 (Ripple current) :请勿施加超过额定最高纹波电流容许值以上之纹波电流.施加了过大纹波电流 :请勿施加超过额定最高纹波电流容许值以上之纹波电流 请勿施加超过额定最高纹波电流容许值以上之纹波电流. 之电解电容器将增大其内温,引起电解电容器电气特性劣化及破损, 之电解电容器将增大其内温,引起电解电容器电气特性劣化及破损,如有需要施加额定值以上之纹波电流等 要求时, 要求时,请与厂方人员洽谈 – 充放电(Charge and discharging) :经常及快速的充放电将使电容器之内温异常升,使漏电流增加,容量降 充放电(Charge :经常及快速的充放电将使电容器之内温异常升 使漏电流增加, 经常及快速的充放电将使电容器之内温异常升, 有时还会造成产品之损坏, 低,有时还会造成产品之损坏,如对充放电特性有特殊要求时请与厂方人员洽谈 – 电解电容器的储存(Storage) :当电解电容器经过了长时间之放置后通常其漏电有增大之倾向.因此在使用经 电解电容器的储存(Storage) :当电解电容器经过了长时间之放置后通常其漏电有增大之倾向 当电解电容器经过了长时间之放置后通常其漏电有增大之倾向. 过长时间放置后之电容器以前,需先施加定额电压使其电气特性回复正常;如储存时间长於6个月以上时, 过长时间放置后之电容器以前,需先施加定额电压使其电气特性回复正常;如储存时间长於6个月以上时,请 串排1K ohm之保护电阻后 使其持续负载定额工作电压30分钟. 之保护电阻后, 30分钟 串排1K ohm之保护电阻后,使其持续负载定额工作电压30分钟.另外电解电容器应储存於恒温及恒湿之环境 下.
聚合物铝电解电容
T 1.90.1 2.80.3 4.20.3
˄ܠၤ˖mm˅
W1
S
2.40.2 1.30.2
2.40.2 1.30.2
2.40.2 1.30.2
ࣙࢆ
I ݢ๒ፎ߭ၐ˖6.8 ܸ 470µF I ߇ݢށᅼ˖2 ܸ 16Vdc
I ESR˖6 ܸ 70mϮ I Ꮾၫ˖ޡ-40 ܸ 105°C
100
钽电容器 (MnO2)
铝电容器 （罐式 ／ 电解）
10
钽电容器 （聚合物） 1
铝电容器 （罐式 ／ 聚合物）
0.1
ESR（Ω），f=100kHz
0.01
0.001 1
ECAS 系列
MLCC
10
100
1000
电容值（µF），f=120Hz
10000
2
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应用电路
总功率管理：
噪声抑制 纹波吸收 去耦 CPU、IC 等周围的电源线。
电源
CPU
目标
V
t 消除纹波 平滑电压源
IC 开 I
V
t 稳定电压源
ESL•ESR V
静电容量 t
消除来自 IC 的高频噪声
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叠层固态铝电解电容
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叠层固态铝电解电容（大纲）一、叠层固态铝电解电容概述1.1固态铝电解电容的起源与发展1.2叠层固态铝电解电容的原理与特点1.3叠层固态铝电解电容的应用领域二、叠层固态铝电解电容的结构与材料2.1电容器的结构设计2.1.1叠层结构2.1.2电极材料2.1.3电介质材料2.2电解液的选用2.3绝缘材料与封装技术三、叠层固态铝电解电容的性能参数3.1容值与容差3.2额定电压3.3工作温度范围3.4长期稳定性3.5损耗因子3.6等级与分类四、叠层固态铝电解电容的生产工艺4.1电极制备4.2电介质膜的制备4.3叠层与绑定4.4电解液注入4.5封装与测试五、叠层固态铝电解电容的应用案例5.1电源领域5.1.1电脑与通信设备5.1.2新能源与电动汽车5.2工业领域5.2.1电力电子设备5.2.2智能电网5.3家电领域5.3.1家用电器5.3.2LED照明六、叠层固态铝电解电容的市场前景与趋势6.1市场规模与增长趋势6.2技术发展动向6.3环保要求与行业标准七、我国在叠层固态铝电解电容领域的发展现状与展望7.1产业现状7.2政策支持与产业规划7.3发展前景与挑战一、叠层固态铝电解电容概述1.1固态铝电解电容的起源与发展固态铝电解电容起源于20世纪60年代，当时电子设备对电容器的需求日益增长，传统的电解电容器由于体积大、重量重、寿命短等问题，已经无法满足日益增长的需求。
聚合物电容
聚合物电容PK 普通铝电解电容器/普通钽难以应对的对策钽电解电容器的基本结构与铝电解电容器大致相同，其作为阳极的钽金属粉的烧结体表面形成作为电介质的五氧化钽，电解质采用了二氧化锰(固体)的结构。
钽电解电容器具有以下特点，即形状比铝电解电容器小，频率特性优异，寿命长(电解质为固体)。
但是，故障模式为短路，有导致起火的危险，因而必须采取安全对策。
PK 陶瓷电容器难以应对的对策（MLCC）MLCC的劣势：因DC偏压、高温或低温使静电容量减少，因而个数增加MLCC会因DC偏压而使得静电容量大大减少，这是已知的MLCC的特性。
此外，高温或低温时静电容量也会减少。
在这个例子中，施加15V的DC电压，静电容量的减少高达80%。
此外，高温或低温时也会减少10%左右。
例如，施加15V的DC电压，将上述电容的减少估计在内需要大约47µF的静电容量，以公称静电容量值的20%为基准确保静电容量足够。
如图中22µF MLCC的情况下，可计算如下：22µF×20%＝4.4µF 47µF÷4.4µF≅10.7个在这个例子中，为了确保电路要求的静电容量47µF，按公称静电容量22µF的MLCC计算，需要总公称静电容量220µF以上、个数在10个以上。
选择静电容量大的MLCC可以减少个数，但一般的耐压25V的片式MLCC，47µF左右就是上限，需要较大的静电容量时，一般采取使用多个价格低廉的小电容MLCC的形式来实现。
对策：用静电容量相对于DC偏压及温度几乎不会变化的导电性聚合物电容器替代导电性聚合物电容器的静电容量几乎不会像MLCC那样因DC偏压及温度而降低。
因此，在这个示例中，10个22µF的MLCC，可以用1个47µF的导电性聚合物电容器替换，通过削减个数可以削减包括实装在内的总成本，有时还可以削减贴装面积。
大电解电容不适合开关电源的原因
大电解电容不适合开关电源的原因下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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低ESR铝电解电容器及其应用要点
低ESR铝电解电容器及其应用
北京航空航天大学教授方佩敏
铝电解电容器是常用的元件,主要用于滤波、去耦及低频信号耦合等场合。
一般的
铝电解电容器其电解质是二氧化锰或其它电解液组成的,它的等效串联电阻(ESR)
较高,温度特性较差,允许纹波电流较小。
近年来开发出一种新型有机半导体铝固
体电解电容器,它采用高性能的电解质材料(有机半导体),其导电性高,ESR值低,并
且有良好的频率特性、温度特性及允许通过更多的纹波电流等特点。
本文介绍日本三洋(SANYO)公司研究开发的有机半导体铝固体电解电容器,商标为
OS-CON,以下简称此类电容器为OS-CON。
OS-CON的电解质
OS-CON的构造与一般的铝电解电容器基本相同,电容芯采用铝箔卷绕结构(如图1所
示),所不同的是采用有机半导体材料代替电解液,采用特殊的工艺:经加热、熔解
、冷却固化后形成的多结晶组成的高导体。
它的成份是TCNQ复合盐半导体。
它主
要的特点是:它是固体电解质,不会因电解液干涸而造成容量减少、tan 增加的问
题,另外,因为电解液是用离子传导,TCNQ复合盐是用电子传导,电子传导要比离子
传导快得多,所以导电性比电解液的电容约高100倍(即电阻值低)。
高导电性有利
于温度的稳定。
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聚合物固态铝电解电容器在开关电源中的应用
PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器在开关电源中的应用实验
PA-Cap简介
PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器，在材料和核心工艺上有重大创新。
它在研究聚吡咯薄膜电聚合生长规律基础上，开发了在复杂多孔的绝缘体表面原位均匀生长高电导率聚吡咯膜技术，解决了聚合电解液长期使用过程中的自聚合难题；提出并实现了铝箔阳极阴极隔离阻断工艺、引入补形成过程新技术，保证了PA-Cap产品的优异电气特性。
PA-Cap主要性能与特点
PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器，具有极低的等效串联电阻（ESR）值、理想的容量频率曲线、稳定的温度特性、很强的噪音吸收能力、明显的滤波效果、不燃烧、不爆炸、安全性高、无污染，而且兼有小型化、片式化、轻量化、低剖面等特点。
显著的特性优势，使它在高频电路中得到广泛应用。
PA-Cap在开关电源中的滤波应用实验
开关电源被广泛应用于各种电子设备或系统中，开关电源性能的好坏，直接影响设备或系统的正常运行。
如何输出低噪声稳定的直流电压，关键应做好电源的整流滤波。
采用PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器进行滤波，具有明显的容量频率特性和噪音吸收能力，超越现有液体铝电解电容器和固体片式钽电容器的滤波特性，是开关电源理想的滤波电容器。
下面就三种不同类型电容器，即液体铝电解电容器（AL：1000μF）、固体片式钽电容器（TA：220μF）和PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器（PA：47μF），在如图1所示的开关电源电路中，进行三种电容的滤波替代实验。
实验仪器
1、TDS100260MHz数字示波器。
2、DSA-0301-05E开关电源：
输入交流220V，输出直流5V、4A，开关模块工作频率：63kHz，C1和C2各用1000μF 液体铝电解电容器滤波。
实验方法
C1保留1000μF，将C2分别用AL（液体铝电解电容器）：1000μF、TA（固体钽电容）：220μF、PA（聚合物固体片式铝电解电容器）：47μF替代。
实验步骤
1、用示波器观测原电路滤波液体铝电解电容器C2=1000μF时，输出纹波电压为1.47mV，见图2。
2、将C2用固体片式钽电容器（TA：220μF）替换，输出纹波电压为1.81mV，见图3。
3、将C2再用PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器（PA：47μF）替换，输出纹波电压为1.42mV，见图4。
实验输出纹波电压结果（均方根值）
Vpa=1.42mV、Vta=1.81mV、Val=1.47mV
实验结果
在63kHz工作频率时，PA：47μF滤波效果等同于AL：1000μF，并且优于TA：220μF；当工作频率高于63kHz时，替代的比率值将会更高。
PA-Cap应用讨论
由于PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器的阴极材料采用PPY导电高分子聚合物材料，具有更高的电导率，为100S/CM电子导电，其导电电阻十分微小，当频率发生变化时，能使电容器的容量C保持稳定；而固体片式钽电容器，阴极材料为MnO2，电导率为0.1S/CM，比PPY聚合物材料的电导率低1000倍；对于液体铝电解电容器，其阴极材
料为电解液，电导率为0.01S/CM离子导电，比PPY聚合物材料的电导率低10000倍，其导电电阻高，容量随频率的稳定性更差。
在63kHz工作频率时，用仪器测试其电容量为：PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器（47μF）容量仍保持在39.4μF；固体片式钽电容器（220μF）的容量降为28.2μF；液体铝电解电容器（1000μF）的容量只有29.7μF。
由此可见，虽然它们标称容量相
差很大，但在高频条件下工作其容量基本等同，而随着工作频率的升高它们差异将更
加明显。
在滤波电路中，当工作频率升高时，PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器由于具有优
良的高频特性，能保持较稳定的容量，滤波作用基本不变；而固体钽电容和液体铝电
解电容的容量分别产生明显的衰减，将导致滤波效果越来越差。
另外，PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器由于使用铝和导电高分子聚合物材料，分
解温度非常高，耐热性十分优越，并应用树脂抑燃剂，即使高温或过流也不燃烧不爆炸，具有极高的安全性。
而固体钽电容器由于其在自愈过程中容易发生析氧反应，当
温度高或过流时会发生燃烧、爆炸。
液体铝电解电容器由于液体受热会膨胀和挥发，常发生漏液、干涸、鼓胀或爆浆的问题。
因此，PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器作为高频电源的滤波电容和电子线路的抗干扰作用被广泛用于等离子电视机、液晶显示器、数字机顶盒、高级音响、通讯设备、汽车电子、电子对抗、航空航天等高端电子设备中；在手机、笔记本电脑、数码摄像机、数码相机、DVD机等数码便携设备中也是优选的元件。
结束语
在高频电路中作为高频滤波电容，由于固体钽电容和液体铝电解电容的容量分别产生不同程度的衰减，而用PPY导电高分子聚合物材料作阴极的PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器，具有稳定的容量-频率特性，可以替代高容量的固体钽电容和更高容量的液体铝电解电容器。