【導(dǎo)讀】電解電容器和聚合物混合電容器具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，然而它們的使用壽命有限，用戶(hù)需要借助算法來(lái)確定其壽命。
電解電容器和聚合物混合電容器具有幾乎相同的設(shè)計(jì)：它們由陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)組成，而兩者均由鋁膜制成。陽(yáng)極薄膜經(jīng)過(guò)氧化處理形成氧化鋁層，從而形成電介質(zhì)。兩片薄膜使用隔離紙卷起來(lái)，構(gòu)成卷繞元件（圖 1、圖 2）。
圖 1：電解電容器主要由陽(yáng)極和陰極薄膜、隔離紙和電解質(zhì)組成
圖 2：電解電容器和聚合物電容器的基本設(shè)計(jì)
兩種電容器之間的區(qū)別在于填充過(guò)程所用的材料，這也是其名稱(chēng)的由來(lái)：電解電容器填充有電解質(zhì)，而聚合物混合電容器則使用聚合電解質(zhì)或固體和液體聚合物的組合。
兩款電容器都具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如尺寸小但電容值高、成本低，以及適用于多種設(shè)計(jì)，例如SMD、THT 或卡入式(snap-in)設(shè)計(jì)。
與電解電容器相比，聚合物混合電容器具有更高的紋波電流容量，以及在低溫時(shí)內(nèi)阻較低，在高頻時(shí)電容更穩(wěn)定。這兩種電容器技術(shù)的缺點(diǎn)在于使用壽命有限。在運(yùn)作過(guò)程中，電解質(zhì)或液態(tài)聚合物會(huì)縮減（圖 3）。
圖 3：電解液或液態(tài)聚合物在運(yùn)作過(guò)程中擴(kuò)散，導(dǎo)致電容器使用壽命縮短。Arrhenius方程可粗略估算電容器的使用壽命。
使用壽命的限制因素
影響電解電容器和聚合物混合電容器使用壽命的最大因素是電容器的內(nèi)核溫度，它隨著環(huán)境溫度和所施加紋波電流水平的增加而上升。此外，由于紋波電流過(guò)大而帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力也會(huì)損壞氧化層，導(dǎo)致自愈(self-healing)效應(yīng)而消耗額外的電解質(zhì)。自愈是電解電容器和聚合物混合電容器通過(guò)電解液和鋁之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)恢復(fù)氧化層的能力。電解質(zhì)收縮也會(huì)導(dǎo)致電氣參數(shù)惡化，例如電容以及等效串聯(lián)電阻 (ESR)和損耗因數(shù)等參數(shù)。
使用壽命結(jié)束通常是指數(shù)據(jù)表參數(shù)（通常是電容損耗和損耗因數(shù)百分比的增加）未達(dá)標(biāo)的階段。
當(dāng)在最終產(chǎn)品的目標(biāo)運(yùn)作期間找出電氣參數(shù)達(dá)標(biāo)的電容器產(chǎn)品時(shí)，用戶(hù)可以使用Arrhenius方程進(jìn)行初步評(píng)估。如圖 4 所示，使用壽命作為擴(kuò)散系數(shù)函數(shù)，在很大程度上類(lèi)似于Arrhenius方程。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則可以表述如下：工作溫度降低50°F (10°C) 可讓使用壽命翻倍。
圖 4：Arrhenius 方程和經(jīng)驗(yàn)法均表明，工作溫度每降低 50°F (10 C)，電容器的使用壽命就會(huì)增加一倍，兩者提供了幾乎一致的結(jié)果
Arrhenius 方程僅提供粗略的指導(dǎo)數(shù)值，因?yàn)闆](méi)有考慮到紋波電流對(duì)自熱效應(yīng)的顯著影響。
電容器供應(yīng)商提供支持
為了獲得精確的使用壽命計(jì)算數(shù)值，建議用戶(hù)與相應(yīng)的電容器供應(yīng)商合作。這項(xiàng)計(jì)算需要客戶(hù)提供任務(wù)配置文件，詳細(xì)說(shuō)明相關(guān)溫度范圍內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)。
圖 5：任務(wù)配置文件示例顯示供應(yīng)商需要哪些參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確地計(jì)算使用壽命
每家供應(yīng)商都對(duì)自有產(chǎn)品使用單獨(dú)的計(jì)算，其中包括溫度曲線和紋波電流負(fù)載。因此，供應(yīng)商可以使用客戶(hù)提供的任務(wù)配置文件進(jìn)行詳細(xì)的使用壽命計(jì)算。
使用任務(wù)配置文件，供應(yīng)商可以根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用來(lái)評(píng)估和推薦電容器產(chǎn)品，這也可以防止使用超規(guī)格(over-specified) 也更昂貴的電容器產(chǎn)品。
冷卻操作確保更長(zhǎng)的使用壽命
增加散熱器的表面積是改善散熱從而延長(zhǎng)電容器壽命的好方法。例如，通過(guò)使用風(fēng)扇或水進(jìn)行主動(dòng)冷卻，可以確保更好的散熱效果。在驗(yàn)證組件并計(jì)算使用壽命時(shí)，用戶(hù)可以考慮這類(lèi)冷卻概念。
冷卻元件與電容器的連接也起著關(guān)鍵作用。
將冷卻元件直接連接到組件，通常比將其放置在電路板的另一側(cè)更有效。此外，還需要考慮電容器的外圍單元，因?yàn)樗ㄟ^(guò)接腳同時(shí)輻射和吸收熱量，特別是附近安裝了功率半導(dǎo)體或其他發(fā)熱組件時(shí)，情況尤為如此。如果有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（例如導(dǎo)通溫度、電流、電壓和頻率），便可以將這個(gè)熱量輸入納入使用壽命計(jì)算中。
如果用戶(hù)使用導(dǎo)熱膏或?qū)釅|，它們的熱阻則是決定性因素。數(shù)值越低，散熱效率越高。如果冷卻元件需要電氣隔離，應(yīng)當(dāng)選擇絕緣導(dǎo)熱膏或合適的焊墊。
如果用戶(hù)希望自行進(jìn)行計(jì)算或模擬，可以從供應(yīng)商處獲取從電容器的核心（繞組元件）到接腿以及封裝的熱阻模型。
如果完全了解散熱情況以及從頂蓋或 PCB 到冷卻元件的熱阻，則可以推斷出額外的散熱或供熱。一旦驗(yàn)證可能的散熱，供應(yīng)商或會(huì)允許使用更高的電路板布局紋波電流，但前提是不超過(guò)供應(yīng)商規(guī)定的最大紋波電流，因?yàn)檫@會(huì)帶來(lái)電容器的機(jī)械負(fù)載。
圖 6：電容器的熱等效電路圖
結(jié)論
在選擇電容器產(chǎn)品時(shí)，建議使用Arrhenius方程來(lái)確定初始指導(dǎo)數(shù)值。通過(guò)使用任務(wù)配置文件，可以準(zhǔn)確地計(jì)算應(yīng)用中所選電容器的使用壽命，這也考慮了由紋波電流引起的自熱程度。為了最大限度地延長(zhǎng)電容器的使用壽命，用戶(hù)應(yīng)該研究可能的冷卻概念，并且在開(kāi)發(fā)階段邀請(qǐng)供應(yīng)商或分銷(xiāo)商參與。
來(lái)源：儒卓力，作者：Sven, Christian
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