电容应用实践：从设计选型到寿命分析
开关电源的寿命很大程度受到电解电容的制约，而电解电容的寿命取决于其内核温升。本文从纹波电流计算、纹波电流实测、电解电容选型、温度测试方法、寿命估算等方面，对电解电容作了全面的分析。
纹波电流产生的热量引起电容的内部温升，加速电解液的蒸发，当容值下降20%或损耗角增大为初始值的2~3倍时，预示着电解电容寿命的终结。通过检查电容器上的纹波电流，可预测电容器的寿命。本文以连续工作模式的反激变换器输出电容分析为例，重点从纹波电流角度全面分析电解电容的选型与寿命。
1、纹波电流计算
假设已知连续工作模式的反激变换器，其输出电流io为1.25a，纹波率r为1.1，占空比d为0.62，开关频率为60khz，由此可以计算次级纹波电流δio和有效值电流io.rms。
次级纹波电流δio：
有效值电流io.rms：
最终得到流过输出电容的纹波电流：
图1直观的显示了该电容的纹波电流波形：
图1 纹波电流波形
2、电解电容选型
由上述计算分析得到流过电容的纹波电流为1.72a，综合考虑体积和成本，选择了纹波电流为1.655a的电解电容。
该纹波电流需在电源开关频率下选择，如下图某厂家电容手册的纹波电流有频率因子，不同频率下的纹波电流不同。高频低阻电容均会给出100khz下的纹波电流，本设计开关频率为60khz，频率因子为0.96~1之间，在此取1即可。
图2 电容纹波电流频率因子
注：纹波电流还有一个温度系数，例如105℃电容，在85℃环境温度下，允许的最大纹波电流约为额定最大纹波电流的1.73倍，该参数一般不在电容手册中体现。
3、纹波电流实测
测试电解电容纹波电流时，需将电容引脚穿入电流探头中，通过示波器可读得交流有效值。本设计实例的纹波电流测试结果如图3所示，示波器读得有效纹波电流为1.64a，与理论设计接近。因此理论计算具有较大的工程指导意义。
图3 实测电容纹波电流
4、温度测试方法
测量容体表面温度ts：需在电容器侧面的中间位置进行，如果由于外部影响导致电容器表面温度不均匀、不稳定，需综合测量电容器表面4个点的温度，再取平均值。
测量环境温度tx：热电偶需放置在离铝壳表面20毫米左右处，如果空间不足，则保持最小10毫米距离，如果由于外部影响导致附近环境温度不均匀、不稳定，则需综合测量4个点以上的温度，再取平均值。
图4 环境温度与表面温度测量
5、电解电容寿命估算
本设计，选择的电解电容为-40~105℃、5000小时、1.655a纹波电流的高频低阻电解电容，最高实测环境温度tx为80℃，壳体表面温度ts为85℃。则其寿命估算如下步骤如下。
（1）估算实际内核温升：
其中：
△to为to时允许的内核温升，即额定纹波电流时的电容器芯子温升，此次选择的105℃电容△to为5℃，可查原厂或行业资料得到；
△tx为实际内核温升；
ix为实际纹波电流1.64a；
io为额定纹波电流1.655a。
（2）估算电容寿命：
其中：
lo为额定寿命5000小时；
to为最高额定工作环境温度105℃；
tx为实际环境温度80℃。
当由于环境因素影响，tx不易获得时，可用ts替代，这可以进一步提供安全余量保证产品售寿命。
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1、纹波电流计算
假设已知连续工作模式的反激变换器，其输出电流io为1.25a，纹波率r为1.1，占空比d为0.62，开关频率为60khz，由此可以计算次级纹波电流δio和有效值电流io.rms。
次级纹波电流δio：
有效值电流io.rms：
最终得到流过输出电容的纹波电流：
图1直观的显示了该电容的纹波电流波形：
图1 纹波电流波形
2、电解电容选型
由上述计算分析得到流过电容的纹波电流为1.72a，综合考虑体积和成本，选择了纹波电流为1.655a的电解电容。
该纹波电流需在电源开关频率下选择，如下图某厂家电容手册的纹波电流有频率因子，不同频率下的纹波电流不同。高频低阻电容均会给出100khz下的纹波电流，本设计开关频率为60khz，频率因子为0.96~1之间，在此取1即可。
图2 电容纹波电流频率因子
注：纹波电流还有一个温度系数，例如105℃电容，在85℃环境温度下，允许的最大纹波电流约为额定最大纹波电流的1.73倍，该参数一般不在电容手册中体现。
3、纹波电流实测
测试电解电容纹波电流时，需将电容引脚穿入电流探头中，通过示波器可读得交流有效值。本设计实例的纹波电流测试结果如图3所示，示波器读得有效纹波电流为1.64a，与理论设计接近。因此理论计算具有较大的工程指导意义。
图3 实测电容纹波电流
4、温度测试方法
测量容体表面温度ts：需在电容器侧面的中间位置进行，如果由于外部影响导致电容器表面温度不均匀、不稳定，需综合测量电容器表面4个点的温度，再取平均值。
测量环境温度tx：热电偶需放置在离铝壳表面20毫米左右处，如果空间不足，则保持最小10毫米距离，如果由于外部影响导致附近环境温度不均匀、不稳定，则需综合测量4个点以上的温度，再取平均值。
图4 环境温度与表面温度测量
5、电解电容寿命估算
本设计，选择的电解电容为-40~105℃、5000小时、1.655a纹波电流的高频低阻电解电容，最高实测环境温度tx为80℃，壳体表面温度ts为85℃。则其寿命估算如下步骤如下。
（1）估算实际内核温升：
其中：
△to为to时允许的内核温升，即额定纹波电流时的电容器芯子温升，此次选择的105℃电容△to为5℃，可查原厂或行业资料得到；
△tx为实际内核温升；
ix为实际纹波电流1.64a；
io为额定纹波电流1.655a。
（2）估算电容寿命：
其中：
lo为额定寿命5000小时；
to为最高额定工作环境温度105℃；
tx为实际环境温度80℃。
当由于环境因素影响，tx不易获得时，可用ts替代，这可以进一步提供安全余量保证产品售寿命。
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