鋁電容器—做出正確選擇

　　器件的構(gòu)造決定了其電氣特性。通過電解液，電荷可往返于陽(yáng)極氧化層。而有限的電解液和熱變傳導(dǎo)性導(dǎo)致磁電阻損失。此外，鋁氧化物本身也會(huì)引起功率損耗，導(dǎo)致功率隨著頻率的增加而大幅下降。

　　所有導(dǎo)致電容器損耗的實(shí)物可組合成一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)。值得注意的是合成模型(如圖3所示)只能用于交流電源。RA 和RC 分別代表陽(yáng)極箔和電解液接觸箔引起的頻變損耗。不要將RA和RC與有時(shí)用于DC模型中表示泄漏電流的并聯(lián)電阻器相混淆。

　　合成的總體ESR并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的、單值量，而是隨著頻率和溫度的變化而變化。ESR是根據(jù)頻率和溫度來測(cè)量(如圖4a所示)。電容量的情況也是一樣(如圖4b所示)，電容發(fā)生變化是因?yàn)殛?yáng)極氧化物的細(xì)孔中的電解液的電阻與細(xì)孔中的電容相結(jié)合形成一個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)。頻率高時(shí)，細(xì)孔中的電容大部分被隔離，直至只剩表面電容。低溫時(shí)，電解液傳導(dǎo)性降低，頻率開始發(fā)揮作用。

　　使用電解液同樣也會(huì)導(dǎo)致電氣特性隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化。即使在室溫條件下， 鋁電容器內(nèi)部的部分電解液會(huì)蒸發(fā)。由于電容器有密封箱，蒸發(fā)掉的電解液不會(huì)直接散發(fā)至空氣中，盡管如此，密封罐內(nèi)外的蒸汽濃度差仍會(huì)致使電解液透過密封箱擴(kuò)散。因此，鋁電容器隨著時(shí)間會(huì)慢慢而又穩(wěn)定地消耗電解液，直至器件變干。鋁電容器的溫度越低，干燥過程就越慢，器件的使用壽命也就越長(zhǎng)。

　　環(huán)境溫度與因電流流經(jīng)電容器時(shí)產(chǎn)生的熱度量而引起的溫升相結(jié)合決定了器件的整體溫度。器件的整體溫度與ESR成比例，且兩者對(duì)于干燥過程起著類似的影響。隨著鋁電容器中的電解液量降低，ESR會(huì)升高，原因是輸送電荷往返于陽(yáng)極氧化物的電解液減少。如果電解液的降低會(huì)減少與蝕刻陽(yáng)極表面接觸的機(jī)會(huì)，電容也會(huì)降低。

　　電氣特性的這些變化將最終使電路不能發(fā)揮所期望的作用，界時(shí)鋁電容器的使用壽命也就結(jié)束了。不管該器件是用于能量緩沖還是濾波，為了使其正常發(fā)揮功能，有必要計(jì)算所需(最小)電容，以及檢驗(yàn)其它參數(shù)，以確保長(zhǎng)期性的、無故障地運(yùn)作。

　　選擇電路的鋁電容器的值時(shí)，通常采用以下公式計(jì)算：

　　第一個(gè)公式用于計(jì)算RC的濾波要求。值得注意是，在低溫和頻率較高時(shí)，該公式不考慮ESR的影響。同樣，在大多數(shù)情況下，R的值不明顯。例如，在整流器電橋中，其量值為相關(guān)二極管網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)通電阻。

　　第二個(gè)公式顯示了存儲(chǔ)在電容器中的能量(E = 1/2 CU2)與從電容器中提取出的或存儲(chǔ)在電容器中的功率隨著時(shí)間間隔( t . )所發(fā)生的變化之間的關(guān)系。這個(gè)公式可以用來計(jì)算出電源輸入緩沖器的最低電容，即在使用壽命結(jié)束時(shí)也必須達(dá)到的要求。注意：使用壽命結(jié)束時(shí)允許電容下降15%~30%。

　　例如， 假設(shè)電源為100W、功效為85 %、保持時(shí)間20 ms、輸入電壓為220 V ±10 % (則Ut為220 * (1 - 0.1) * sqrt(2) = 280 V)及逆向轉(zhuǎn)換器最低電壓為80 V，則第二個(gè)公式得出的電容值為66mF。但是，設(shè)計(jì)者必須對(duì)備件使用壽命結(jié)束時(shí)預(yù)計(jì)的電容降低進(jìn)行評(píng)估，若降低15%，則建議將最低電容值提高至78mF。

　　有些電阻損耗所引起的熱度可以忽略不計(jì)，例如，在定時(shí)電路中， 可以根據(jù)環(huán)境溫度采用阿列紐斯(Arrhenius)的計(jì)算規(guī)則計(jì)算使用壽命。但是，對(duì)于電源中的鋁電容器而言，就不能這樣計(jì)算，因?yàn)橥ㄟ^電容器的“紋波”(充電/放電)電流引起的溫升不能忽略不計(jì)。因此，需要采用一些方法來說明該種溫升的作用。其中重點(diǎn)之一就是熱度、紋波電流與鋁電容器散熱的能力之間的關(guān)系，或者熱變電阻常以K/W為單位。

　　紋波電流引起的溫升等于熱變電阻Rth 、ESR和RMS電流的平方的乘積(T=Rth * I2*ESR)。

　　但是，廠家一般不規(guī)定ESR和熱變電阻的值， 廠家一般只為指定的頻率引用額定紋波電流(IR) 。溫度模型化是解決該問題的方法之一，但更直接的方法是對(duì)比應(yīng)用環(huán)境下的熱耗散和參考環(huán)境下的熱耗散(一般氣流量為0.5 m/s)。在參考環(huán)境下，數(shù)據(jù)表一般指定紋波電流為引起限定溫升的紋波電流：例如，5℃或10℃。

　　這給出了指示電容器處理紋波電流好壞程度的質(zhì)量因數(shù)：例如，在最大額定溫度時(shí)，Vishay 鋁電容器可在規(guī)定的使用壽命內(nèi)處理由額定紋波電流導(dǎo)致的熱量產(chǎn)生。設(shè)計(jì)人員可使用該數(shù)值計(jì)算將由他們?cè)趹?yīng)用中所期望的紋波電流導(dǎo)致的升溫：這將因數(shù)據(jù)手冊(cè)中發(fā)布的實(shí)際電路電流(IA) 與額定紋波電流(IR) 之間比值的平方而異。

　　當(dāng)應(yīng)用紋波電流的頻率與額定紋波電流的頻率不同時(shí)，這些計(jì)算會(huì)變得更加復(fù)雜。由于功耗取決于ESR，因此必須引入校正因數(shù)得出ESR 隨頻率變化的實(shí)際情況。

　　在這種情況下，通常有兩種簡(jiǎn)化假設(shè)可提供幫助：第一，來自不同來源的紋波電流與相位無關(guān)；第二，這些電流大致為正弦曲線。然后，設(shè)計(jì)人員可使用制造商的引用電流校正因數(shù)(Kfn) 計(jì)算有效的總應(yīng)用紋波電流：例如，對(duì)于Vishay 鋁電容器家族中的每個(gè)系列，數(shù)據(jù)手冊(cè)均提供了具有在各種頻率下的相關(guān)紋波電流校正因數(shù)的表。一旦使用了這些因數(shù)來推導(dǎo)等效的總紋波電流IA，則可將該值帶入這些計(jì)算中，從而算出溫度升高值。

　　實(shí)際上，這種復(fù)雜情況的升溫變化方式恰恰與更簡(jiǎn)單的單頻方法相同：利用應(yīng)用紋波電流與參考紋波電流之間的平方比值。區(qū)別在于該計(jì)算中使用的應(yīng)用紋波電流為等效電流，如使用引用的電流校正因數(shù)所計(jì)算的。
　　
　　通過利用廣泛的測(cè)試以及長(zhǎng)期的鋁電容器使用經(jīng)驗(yàn)，Vishay 開發(fā)了一種圖形工具，該工具可顯示鋁電容器的使用壽命與影響溫度的兩大因素之間的關(guān)系(請(qǐng)參見圖5)。稱為使用壽命列線圖的該工具可以鋁電容器的環(huán)境溫度(Tamb) 為橫軸來繪制IA/IR 參數(shù)圖。

　　該列線圖可用于計(jì)算特定應(yīng)用中的規(guī)定紋波電流額定值以及必需的使用壽命規(guī)格。對(duì)于紋波電流，起點(diǎn)為規(guī)定的使用壽命。該值除以數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最大工作溫度時(shí)電容器的引用使用壽命。其比值為“使用壽命乘數(shù)”，然后該比值可使設(shè)計(jì)人員了解從該列線圖的哪條曲線讀數(shù)。然后，工程師必須估算預(yù)計(jì)的工作溫度，然后從該列線圖讀取相應(yīng)的IA/IR 比值，以推導(dǎo)出需要為目標(biāo)應(yīng)用指定哪一紋波電流額定值。

　　同樣，計(jì)算必需的使用壽命規(guī)格需要了解預(yù)計(jì)的工作溫度及應(yīng)用紋波電流。該列線圖可用于讀取必需的使用壽命乘數(shù)：所需的應(yīng)用使用壽命除以該數(shù)量，等于必需的電容器使用壽命。與該列線圖結(jié)合使用的紋波電流值可通過以下多種方式獲得：通過模擬和計(jì)算，或者通過直接測(cè)量。如果設(shè)計(jì)階段使用了電路模擬器，則可使用模擬結(jié)果來獲得鋁電容器紋波電流元件的RMS 值。

　　直接近似值通常涉及了電流探針及諸如示波器等儀表的使用，這些儀表可計(jì)算所測(cè)量信號(hào)的RMS 值及頻譜。但記住，盡管將電流探針引入電路中幾乎不會(huì)改變鋁電容器中的紋波電流，但這些探針通常具有有限的低帶寬，可能無法正確測(cè)量低于100Hz 的低頻元件，這一點(diǎn)非常重要。而且，當(dāng)電流值超出測(cè)量范圍時(shí)，有些電流探針會(huì)達(dá)到飽和，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的讀數(shù)。

　　另一個(gè)方法是，將低電感(SMD) 電阻與鋁電容器串聯(lián)。該電阻值必須小于鋁電容器的ESR值(正常值為10m.)，以便不影響高頻元件的測(cè)量。與使用探針相比，直接在該電阻上焊接同軸電纜對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾更少。將電路地線(通常為輸入鋁電容器的電源相位之一)與已接地的示波器地線相連時(shí)要格外小心，這一點(diǎn)很重要。需要避免短路，并且必須使用隔離變壓器將鋁電容器電路與電源線隔開。

　　確定了RMS 值后，應(yīng)仔細(xì)檢查，通過對(duì)來自頻率域中不同來源的主頻元件的RMS 值(注意，由于這些為RMS 值，正確的求和方法是求它們平方之和的平方根)求和來驗(yàn)證這些RMS值。