鋁電解電容的(de)進化(huà)

開關電源以小型、輕量和(hé)高(gāo)效率的(de)特點被廣泛應用(yòng)于各種通(tōng)信設備、家用(yòng)電器、計算(suàn)機等終端設備。而鋁電解電容作爲開關電源中一次和(hé)二次回路濾波電路中最重要的(de)器件之一，也(yě)跟随著(zhe)開關電源的(de)進化(huà)趨勢不斷進化(huà)。

現在我們來(lái)細說一下(xià)它們的(de)“進化(huà)趨勢”：

1 大(dà)容量、小體積

我們都知道，電解電容器大(dà)多(duō)是卷繞結構，這(zhè)樣一來(lái)體積變大(dà)就成了(le)硬傷。麻煩就在于開關電源要求相同電容量的(de)情況下(xià)有越來(lái)越小的(de)體積。在開關電源的(de)原邊采用(yòng)有源濾波器電路，則鋁電解電容的(de)使用(yòng)環境變得(de)比以前更爲嚴酷：

（1）高(gāo)頻(pín)脈沖電流主要是20 kHz~100kHz的(de)脈動電流且大(dà)幅度增加；

（2）變換器的(de)主開關管發熱(rè)，導緻鋁電解電容器的(de)周圍溫度升高(gāo)；

（3）變換器多(duō)采用(yòng)升壓電路，因此要求耐高(gāo)壓的(de)鋁電解電容器。

這(zhè)樣一來(lái)，利用(yòng)以往技術制造的(de)鋁電解電容器， 由于要吸收比以往更大(dà)的(de)脈動電流，不得(de)不選擇大(dà)尺寸電容器。這(zhè)種選擇會導緻電源體積過于龐大(dà)，難以适用(yòng)于小型化(huà)電子設備。爲了(le)解決這(zhè)些難題，必須開發一種小體積、耐高(gāo)壓，且允許流過大(dà)量高(gāo)頻(pín)脈沖電流的(de)新型電解電容器。另外，這(zhè)種電解電容器，在高(gāo)溫環境下(xià)工作，工作壽命還(hái)須比較長(cháng)。

 

2 高(gāo)溫、長(cháng)壽命化(huà)

就100μF以上的(de)中、大(dà)容量産品來(lái)說，占據價格優勢的(de)鋁電解電容應用(yòng)最爲廣泛。但近幾年避免使用(yòng)鋁電解電容的(de)情況正在增加。究其原因，就卡在壽命的(de)短闆上。“對(duì)于鋁電解電容這(zhè)種壽命有限的(de)元件，能不用(yòng)則不用(yòng)”，電源模塊制造廠家工程師表示，鋁電解電容内部的(de)電解液會蒸發或産生化(huà)學變化(huà)，導緻靜電容量減少或等效串聯電阻(ESR)增大(dà)，随著(zhe)時(shí)間的(de)推移，電容性能肯定會劣化(huà)。 事實上電解電容器的(de)壽命與電容器長(cháng)期工作的(de)環境溫度成負相關性。

普通(tōng)電解電容器在環境溫度爲90℃時(shí)已經損壞，但現在有很多(duō)種類的(de)電解電容器的(de)工作環境溫度已高(gāo)于90℃，通(tōng)過電解電容器的(de)交流電流和(hé)額定脈沖電流的(de)比爲0.5時(shí)，壽命仍然爲10000h，但是如果溫度上升到95℃時(shí)，電解電容器即已經損壞。

另一方面，電解電容器的(de)壽命還(hái)與電容器長(cháng)時(shí)間工作的(de)交流電流與額定脈沖電流（一般是指在85℃的(de)環境溫度下(xià)測試值，但是有一些耐高(gāo)溫的(de)電解電容器是在125℃時(shí)測試的(de)數據）的(de)比值有關。一般而言比值越大(dà)則壽命越短，當流過電解電容器的(de)電流爲額定電流的(de)3.8倍時(shí)，電解電容器一般都會損壞。

 

3 高(gāo)頻(pín)低阻抗化(huà)

盡管開關頻(pín)率有所不同，但開關電源的(de)輸出整流濾波電容器作用(yòng)基本相同，主要是通(tōng)過利用(yòng)濾波電容器吸收開關頻(pín)率及其高(gāo)次諧波頻(pín)率的(de)電流分(fēn)量而濾除其紋波電壓分(fēn)量。 

在開關電源輸出端用(yòng)的(de)濾波電容，與工頻(pín)電路中選用(yòng)的(de)濾波電容并不一樣，在工頻(pín)電路中用(yòng)作濾波的(de)普通(tōng)電解電容器，其上的(de)脈動電壓頻(pín)率僅有100Hz，充放電時(shí)間是毫秒數量級，爲獲得(de)較小的(de)脈動系數，需要的(de)電容量高(gāo)達數十萬微法，因而一般低頻(pín)用(yòng)普通(tōng)鋁電解電容器制造目标是以提高(gāo)電容量爲主，電容器的(de)電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒别其優劣的(de)主要參數。

在開關穩壓電源中作爲輸出濾波用(yòng)的(de)電解電容器，由于大(dà)多(duō)數的(de)開關電源工作在方波或矩形波的(de)狀态，含有豐富的(de)高(gāo)次諧波電壓與電流，其上鋸齒波電壓的(de)頻(pín)率高(gāo)達數十千赫，甚至數十兆赫，它的(de)要求和(hé)低頻(pín)應用(yòng)時(shí)不同，電容量并不是主要指标，衡量它好壞的(de)則是它的(de)阻抗頻(pín)率特性。 要使輸出濾波用(yòng)電容器在高(gāo)頻(pín)下(xià)低阻抗化(huà)，必須降低等效串聯電阻。

4 耐紋波電流 

影(yǐng)響電解電容器性能的(de)最主要的(de)參數之一就是紋波電流問題。紋波電流對(duì)鋁電解電容器的(de)影(yǐng)響主要是在ESR上産生功耗使鋁電解電容器發熱(rè)，進而縮短使用(yòng)壽命。紋波電流在ESR上産生的(de)損耗與紋波電流有效值的(de)平方成正比，因而随著(zhe)紋波電流的(de)增加，小時(shí)壽命曲線類似于抛物(wù)線函數曲線。

一般而言，反激式變換器産生的(de)開關變換電流相對(duì)最大(dà)。就平闆電視爲例，爲了(le)能承受大(dà)電流，需進一步降低電容的(de)ESR。

如果ESR小，則在有大(dà)電流流動時(shí)，電容輸出電壓的(de)下(xià)降量也(yě)小。伴随著(zhe)電流增大(dà)而來(lái)的(de)降低ESR的(de)要求，有可(kě)能成爲推進電容替換進程的(de)主要原因。相對(duì)于鋁電解電容将近1Ω的(de)ESR來(lái)說，多(duō)層陶瓷電容的(de)ESR很小，還(hái)不到10mΩ。導電性高(gāo)分(fēn)子電容的(de)ESR通(tōng)常爲幾十mΩ，ESR比較小的(de)則在10mΩ以下(xià)。鋁電解電容也(yě)在開發ESR比較小的(de)品，其ESR大(dà)約是一般産品的(de)1/2~1/3。

5 高(gāo)可(kě)靠性

作爲輸入濾波和(hé)平滑作用(yòng)的(de)鋁電解電容器，它的(de)質量和(hé)可(kě)靠性直接影(yǐng)響到開關電源的(de)可(kě)靠性。一旦鋁電解電容器失效，就會導緻開關穩壓電源的(de)故障。 

開關穩壓電源用(yòng)鋁電解電容器的(de)失效模式有擊穿失效、開路失效、漏液失效及電參數超差失效。

其中擊穿失效又分(fēn)爲介質擊穿和(hé)熱(rè)擊穿，對(duì)于大(dà)功率和(hé)大(dà)電流輸出的(de)開關電源用(yòng)電解電容器，熱(rè)擊穿失效常占一定比例；電腐蝕導緻鋁引出條斷裂和(hé)電容器芯子幹涸，使開關穩壓電源用(yòng)鋁電解電容器開路失效的(de)主要失效模式；漏液是開關穩壓電源用(yòng)鋁電解電容器常見的(de)失效模式，由于使用(yòng)環境及工作狀态較嚴酷，常發生漏液失效；開關穩壓電源用(yòng)鋁電解電容器在使用(yòng)中最常見的(de)失效模式是電容量減少、漏電流增大(dà)及損耗角正切值增大(dà)。

總結

随著(zhe)電子設備的(de)小型化(huà)，越來(lái)越要求電解電容器具有更好的(de)頻(pín)率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高(gāo)耐壓性能、無鉛化(huà)，這(zhè)也(yě)是電解電容器今後的(de)發展方向。 

小型化(huà)、大(dà)容量化(huà)的(de)電容器可(kě)以通(tōng)過使用(yòng)铌、钛等新型介電材料及結構方面的(de)改進來(lái)達到。

 而低ESR、低ESL化(huà)可(kě)以通(tōng)過新型電解質的(de)開發優化(huà)工藝及構造來(lái)實現，同時(shí)産品将向更高(gāo)的(de)電壓方向發展。 

在發展日新月(yuè)異的(de)信息技術領域，電容器将始終是關鍵元件之一，我們将應用(yòng)新技術、新材料不斷地開發出順應信息時(shí)代需求的(de)高(gāo)性能電容器。