電源設計小貼士：鋁電解電容器常見缺陷的規避方法

因其低成本的特點，鋁電解電容器一直都是電源的常用選擇。但是，它們壽命有限，且易受高溫和低溫極端條件的影響。鋁電解電容器在浸透電解液的紙片兩面放置金屬薄片。這種電解液會在電容器壽命期間蒸發，從而改變其電氣屬性。如果電容器失效，其會出現劇烈的反應：電容器中形成壓力，迫使它釋放出易燃、腐蝕性氣體。
 
電解質蒸發的速度與電容器溫度密切相關。工作溫度每下降 10 攝氏度，電容器壽命延長一倍。電容器額定壽命通常為在其最大額定溫度下得出的結果。典型的額定壽命為 105 攝氏度下 1000 小時。選擇這些電容器用于圖 1 所示 LED 燈泡等長壽命應用時（LED 的壽命為 25000 小時），電容器的壽命便成了問題。要想達到 25000 小時壽命，這種電容器要求工作溫度不超過 65 攝氏度。這種工作溫度特別具有挑戰性，因為在這種應用中，環境溫度會超出 125 攝氏度。市場上有一些高額定溫度的電容器，但是在大多數情況下，鋁電解電容器都將成為 LED燈泡壽命的瓶頸組件。
 
這種 105℃ 電容器可能不會達到其聲稱的 23 年壽命
圖 1 這種105℃電容器可能不會達到其聲稱的23年壽命
 
這種壽命溫度依賴度實際影響了您降低電容器額定電壓的方法。您首先想到的可能是增加電容器額定電壓來最小化電介質失效的機率。但是，這樣做會使電容器的等效串聯電阻 (ESR) 更高。由于電容器一般會具有高紋波電流應力，因此這種高電阻會帶來額外的內部功耗，并且增加電容器溫度。故障率隨溫度升高而增加。實際上，鋁電解電容器通常只使用其額定電壓的 80% 左右。
 
電容器溫度較低時，ESR 急劇增加，如圖 2 所示。在這種情況下，-40oC 下，電阻呈數量級增加。這在許多方面都會影響到電源性能。如果電容器用于開關式電源的輸出端，則輸出紋波電壓呈數量級增加。另外，在 ESR 和輸出電容形成的零以上頻率，它讓環路增益增加一個數量級，從而影響控制環路。這會產生一個有振蕩的不穩定電源。為了適應這種強震動，控制環路通常會在空間方面做出巨大妥協，并在更高溫度下工作。
 
低溫下 ESR 性能急劇下降
圖 2 低溫下 ESR 性能急劇下降
 
總之，鋁電解電容器通常是最低成本的選擇。但是，您需要確定其缺點是否會對應用產生不利影響。您需要通過其工作溫度，考慮其壽命長短。另外，您還要適當地降低其額定電壓，這樣您才能實現最低溫度運行，從而獲得最長的使用壽命。最后，您需要理解必須使用的 ESR 范圍，這樣您才能正確地設計出控制環路，從而滿足設計的紋波規范要求。