圖1 電解電容器的等效電路

 

眾所周知，開關電源是當今信息家電設備的主要電源，為電子設備小型輕便化作出不可磨滅的貢獻。開關電源不斷的小型化、qinglianghuahegaoxiaolv
，zaidianzishebeizhongshiyongliangyuelaiyueda，pujilvyuelaiyuegao。xiangyingdejiuyaoqiudianjiedianrongqixiaoxingdaronglianghua
，naiwenbodianliu，gaopindizukanghua
，gaowenduchangshouminghuahegengshiyinggaomiduzuzhuang。

 

1 電容量與體積

 

由(you)於(yu)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)多(duo)數(shu)采(cai)用(yong)卷(juan)繞(rao)結(jie)構(gou)，很(hen)容(rong)易(yi)擴(kuo)大(da)體(ti)積(ji)

，因(yin)此(ci)單(dan)位(wei)體(ti)積(ji)電(dian)容(rong)量(liang)非(fei)常(chang)大(da)
，比(bi)其(qi)它(ta)電(dian)容(rong)大(da)幾(ji)倍(bei)到(dao)幾(ji)十(shi)倍(bei)。但(dan)是(shi)大(da)電(dian)容(rong)量(liang)的(de)獲(huo)取(qu)是(shi)以(yi)體(ti)積(ji)的(de)擴(kuo)大(da)為(wei)代(dai)價(jia)的(de)，現(xian)代(dai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)
，越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao)的(de)體(ti)積(ji)，因(yin)此(ci)，有(you)必(bi)要(yao)尋(xun)求(qiu)新(xin)的(de)解(jie)決(jue)辦(ban)法(fa)
，來(lai)獲(huo)得(de)大(da)電(dian)容(rong)量(liang)、小體積的電容器。

 

在開關電源的原邊一旦采用有源濾波器電路，則鋁電解電容器的使用環境變得比以前更為嚴酷：

 

（1）高頻脈衝電流主要是20 kHz~100kHz的脈動電流，而且大幅度增加
；

 

（2）變換器的主開關管發熱
，導致鋁電解電容器的周圍溫度升高
；

 

（3）變bian換huan器qi多duo采cai用yong升sheng壓ya電dian路lu，因yin此ci要yao求qiu耐nai高gao壓ya的de鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi。這zhe樣yang一yi來lai
，利li用yong以yi往wang技ji術shu製zhi造zao的de鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi
，由you於yu要yao吸xi收shou比bi以yi往wang更geng大da的de脈mai動dong電dian流liu
，不bu得de不bu選xuan擇ze大da尺chi寸cun的de電dian容rong器qi。結jie果guo，使shi電dian源yuan的de體ti積ji龐pang大da，難nan以yi用yong於yu小xiao型xing化hua的de電dian子zi設she備bei。為wei了le解jie決jue這zhe些xie難nan題ti，必bi須xu研yan究jiu與yu開kai發fa一yi種zhong新xin型xing的de電dian解jie電dian容rong器qi，體ti積ji小xiao、耐高壓，並且允許流過大量高頻脈衝電流。另外，這種電解電容器

，在高溫環境下工作，工作壽命還須比較長。

 

2 承受溫度與壽命

 

在開關電源設計過程中，不可避免地要挑選適用的電容。就100μF以上的中、大容量產品來說，因為鋁電解電容的價格便宜，所以，迄今使用的最為廣泛。但是, 最近幾年卻發生了顯著變化
，避免使用鋁電解電容的情況正在增加。 出現這種變化的一個原因是

，鋁電解電容的壽命往往會成為整個設備的薄弱環節。電源模塊製造廠家的工程師表示：“對於鋁電解電容這種壽命有限的元件，如果可以不用, 就盡量不要采用。”因為鋁電解電容內部的電解液會蒸發或產生化學變化，導致靜電容量減少或等效串聯電阻(ESR)增大, 隨著時間的推移
，電容性能肯定會劣化。

 

電解電容器的壽命與電容器長期工作的環境溫度有直接關係
，溫度越高
，電容器的壽命越短。普通的電解電容器在環境溫度為90℃時已經損壞。但是現在有很多種類的電解電容器的工作環境溫度已經很高在環境溫度為90℃，通過電解電容器的交流電流和額定脈衝電流的比為0.5時，壽命仍然為10000h，但是如果溫度上升到95℃時shi，電dian解jie電dian容rong器qi即ji已yi經jing損sun壞huai。因yin此ci，在zai選xuan擇ze電dian容rong器qi的de時shi候hou，應ying該gai根gen據ju具ju體ti的de環huan境jing溫wen度du和he其qi它ta的de參can數shu指zhi標biao來lai選xuan定ding，如ru果guo忽hu略lve了le環huan境jing溫wen度du對dui電dian容rong器qi壽shou命ming的de影ying響xiang
，那na麼me電dian源yuan工gong作zuo的de可ke靠kao性xing、穩定性將大大降低，甚至損壞設備和儀器。就一般情況而言
，電解電容器工作在環境溫度為80℃時，一般能達到10000h壽命的要求。

 

另一方麵
，電解電容器的壽命還與電容器長時間工作的交流電流與額定脈衝電流（一般是指在85℃的環境溫度下測試值，但是有一些耐高溫的電解電容器是在125℃時測試的數據）的比值有關。一般說來，這個比值越大，電解電容器的壽命越短，當流過電解電容器的電流為額定電流的3.8倍時，電解電容器一般都已經損壞。所以，電解電容器有它的安全工作區，對於一般應用，當交流電流與額定脈衝電流的比值在3.0倍以下時，對於壽命的要求已經滿足。環境溫度和紋波電流對電解電容器的影響如圖2所示。

 

圖2 某鋁電解電容器的壽命與溫度、紋波電流的關係

 

3 頻率特性與阻抗

 

對於中小輸出功率開關電源的工作頻率除少數因價格限製而仍采用20~40kHz外
，大多數均在50kHz以上；DC/DC電源模塊大多在300kHz以上；大功率開關電源的開關頻率受主開關（一般采用IGBT）的開關速度限製而一般在20~40kHz。盡jin管guan開kai關guan頻pin率lv有you所suo不bu同tong，但dan是shi開kai關guan電dian源yuan的de輸shu出chu整zheng流liu濾lv波bo電dian容rong器qi的de作zuo用yong基ji本ben相xiang同tong，主zhu要yao是shi通tong過guo利li用yong濾lv波bo電dian容rong器qi吸xi收shou開kai關guan頻pin率lv及ji其qi高gao次ci諧xie波bo頻pin率lv的de電dian流liu分fen量liang而er濾lv除chu其qi紋wen波bo電dian壓ya分fen量liang。

 

zaikaiguandianyuanshuchuduanyongdelvbodianrong，yugongpindianluzhongxuanyongdelvbodianrongbingbuyiyang，zaigongpindianluzhongyongzuolvbodeputongdianjiedianrongqi
，qishangdemaidongdianyapinlvjinyou100Hz
，充chong放fang電dian時shi間jian是shi毫hao秒miao數shu量liang級ji
，為wei獲huo得de較jiao小xiao的de脈mai動dong係xi數shu，需xu要yao的de電dian容rong量liang高gao達da數shu十shi萬wan微wei法fa，因yin而er一yi般ban低di頻pin用yong普pu通tong鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi製zhi造zao目mu標biao是shi以yi提ti高gao電dian容rong量liang為wei主zhu，電dian容rong器qi的de電dian容rong量liang
、損(sun)耗(hao)角(jiao)正(zheng)切(qie)值(zhi)以(yi)及(ji)漏(lou)電(dian)流(liu)是(shi)鑒(jian)別(bie)其(qi)優(you)劣(lie)的(de)主(zhu)要(yao)參(can)數(shu)。在(zai)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)中(zhong)作(zuo)為(wei)輸(shu)出(chu)濾(lv)波(bo)用(yong)的(de)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)
，由(you)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)在(zai)方(fang)波(bo)或(huo)矩(ju)形(xing)波(bo)的(de)狀(zhuang)態(tai)，含(han)有(you)及(ji)其(qi)豐(feng)富(fu)的(de)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)電(dian)壓(ya)與(yu)電(dian)流(liu)，其(qi)上(shang)鋸(ju)齒(chi)波(bo)電(dian)壓(ya)的(de)頻(pin)率(lv)高(gao)達(da)數(shu)十(shi)千(qian)赫(he)，甚(shen)至(zhi)數(shu)十(shi)兆(zhao)赫(he)，它(ta)的(de)要(yao)求(qiu)和(he)低(di)頻(pin)應(ying)用(yong)時(shi)不(bu)同(tong)，電(dian)容(rong)量(liang)並(bing)不(bu)是(shi)主(zhu)要(yao)指(zhi)標(biao)，衡(heng)量(liang)它(ta)好(hao)壞(huai)的(de)則(ze)是(shi)它(ta)的(de)阻(zu)抗(kang)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)，如(ru)圖(tu)3所示。

 

圖3 某47μF/350V鋁電解電容器的阻抗頻率特性

 

由圖可知，隨著頻率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等於感抗並相互抵消時的頻率為鋁電解電容器的諧振頻率，這時的阻抗最低

，僅剩下ESR。如果ESR為零，則這時的阻抗也為零
；頻率繼續上升，感抗開始大於容抗
，當感抗接近於ESR時shi
，阻zu抗kang頻pin率lv特te性xing開kai始shi上shang升sheng，呈cheng感gan性xing，從cong這zhe個ge頻pin率lv開kai始shi以yi上shang的de頻pin率lv下xia電dian容rong器qi時shi間jian上shang就jiu是shi一yi個ge電dian感gan。由you於yu製zhi造zao工gong藝yi的de原yuan因yin，電dian容rong量liang越yue大da，寄ji生sheng電dian感gan也ye越yue大da，諧xie振zhen頻pin率lv也ye越yue低di，電dian容rong器qi呈cheng感gan性xing的de頻pin率lv也ye越yue低di。這zhe就jiu要yao求qiu它ta在zai開kai關guan穩wen壓ya電dian源yuan的de工gong作zuo頻pin段duan內nei要yao有you低di的de等deng效xiao阻zu抗kang，同tong時shi，對dui於yu電dian源yuan內nei部bu
，由you於yu半ban導dao體ti器qi件jian開kai始shi工gong作zuo所suo產chan生sheng高gao達da數shu百bai千qian赫he的de尖jian峰feng噪zao聲sheng，亦yi能neng有you良liang好hao的de濾lv波bo作zuo用yong，一yi般ban低di頻pin用yong普pu通tong電dian解jie電dian容rong器qi在zai10kHz左右
，其阻抗便開始呈現感性，無法滿足開關電源使用要求。

 

用於開關穩壓電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz甚至500kHz時仍不呈現上升趨勢。電解電容器ESR較低
，能有效地濾除開關穩壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。而普通電解電容器在100kHz後就開始呈現上升趨勢

，用於開關電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實驗中發現
，普通CDII型中4700μF,16V電解電容器，用於開關電源輸出濾波的紋波與尖峰並不比CD03HF型4700μF,16V高gao頻pin電dian解jie電dian容rong器qi的de低di，同tong時shi普pu通tong電dian解jie電dian容rong器qi溫wen升sheng相xiang對dui較jiao高gao。當dang負fu載zai為wei突tu變bian情qing況kuang時shi
，用yong普pu通tong電dian解jie電dian容rong器qi的de瞬shun態tai響xiang應ying遠yuan不bu如ru高gao頻pin電dian解jie電dian容rong器qi。

 

開kai關guan電dian源yuan為wei了le高gao效xiao率lv而er提ti高gao了le工gong作zuo頻pin率lv的de高gao頻pin化hua，特te別bie是shi小xiao型xing高gao輸shu出chu開kai關guan電dian源yuan中zhong輸shu入ru濾lv波bo用yong電dian容rong器qi要yao求qiu高gao紋wen波bo性xing，輸shu出chu端duan低di阻zu抗kang化hua。要yao使shi輸shu出chu濾lv波bo用yong電dian容rong器qi在zai高gao頻pin下xia低di阻zu抗kang化hua，必bi須xu降jiang低di等deng效xiao串chuan聯lian電dian阻zu。

 

4、紋波電流耐受度

 

影響電解電容器性能的最主要的參數之一就是紋波電流問題。紋波電流對鋁電解電容器的影響主要是在ESR上產生功耗使鋁電解電容器發熱，進而縮短使用壽命。 從特性曲線中（圖2）可以看到
，紋波電流在ESR上shang產chan生sheng的de損sun耗hao與yu紋wen波bo電dian流liu有you效xiao值zhi的de平ping方fang成cheng正zheng比bi，因yin而er隨sui著zhe紋wen波bo電dian流liu的de增zeng加jia，小xiao時shi壽shou命ming曲qu線xian類lei似si於yu拋pao物wu線xian函han數shu曲qu線xian。降jiang低di紋wen波bo電dian流liu的de方fang法fa可ke以yi采cai用yong較jiao大da容rong量liang的de鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi，畢bi竟jing大da容rong量liang鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi可ke承cheng受shou的de紋wen波bo電dian流liu比bi小xiao容rong量liang的de鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi大da；也(ye)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)多(duo)隻(zhi)小(xiao)容(rong)量(liang)鋁(lv)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)並(bing)聯(lian)方(fang)式(shi)，還(hai)可(ke)以(yi)選(xuan)用(yong)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)低(di)的(de)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)
，反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)換(huan)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)開(kai)關(guan)變(bian)換(huan)電(dian)流(liu)相(xiang)對(dui)最(zui)大(da)。表(biao)1是各種開關變換器電路拓撲的直流電流、整流濾波的紋波電流
、開關變換電流和濾波電容上的總紋波電流。

 

表1 各種開關變換器電路拓撲的整流濾波的紋波電流和開關變換電流

 

就平板電視來說，為了能承受大電流，就需要進一步降低電容的ESR。其原因是，在數字設備中，隨著功能的增加，電路的電流有越來越大的趨勢。 對於在液晶電視中進行MPEG編解碼工作的圖像處理電路來說，2006年一塊芯片中電源電路的電流約為3A。據有關人士預測稱
，為了應對全H D (全高清等要求而增大電路的規模以後，芯片中的電流將增加到5A 左右，而且在2008 年前後將會達到8A~9A。

 

如果ESR小，則在有大電流流動時，電容輸出電壓的下降量也小。伴隨著電流增大而來的降低ESR的要求，有可能成為推進電容替換進程的主要原因。相對於鋁電解電容將近1Ω的ESR來說，多層陶瓷電容的ESR很小，還不到10mΩ。導電性高分子電容的ESR通常為幾十mΩ
，ESR比較小的則在10mΩ以下。鋁電解電容也在開發ESR比較小的品, 其ESR大約是一般產品的1/2~1/3。

 

5、可靠性高低

 

開關電源是一種采用開關式控製的直流穩壓電源，它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用於各種通信設備、家用電器、計ji算suan機ji及ji其qi終zhong端duan設she備bei。作zuo為wei輸shu入ru濾lv波bo和he平ping滑hua作zuo用yong的de鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi，它ta的de質zhi量liang和he可ke靠kao性xing直zhi接jie影ying響xiang到dao開kai關guan電dian源yuan的de可ke靠kao性xing。一yi旦dan鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi失shi效xiao
，就jiu會hui導dao致zhi開kai關guan穩wen壓ya電dian源yuan的de故gu障zhang。

 

開關穩壓電源用鋁電解電容器的失效模式有擊穿失效
、開路失效、louyeshixiaojidiancanshuchaochashixiao。qizhongjichuanshixiaoyoufenweijiezhijichuanherejichuan，duiyudagonglvhedadianliushuchudekaiguandianyuanyongdianjiedianrongqi
，rejichuanshixiaochangzhanyidingbili；電腐蝕導致鋁引出條斷裂和電容器芯子幹涸，使開關穩壓電源用鋁電解電容器開路失效的主要失效模式；漏液是開關穩壓電源用鋁電解電容器常見的失效模式
，由於使用環境及工作狀態較嚴酷，常發生漏液失效
；開關穩壓電源用鋁電解電容器在使用中最常見的失效模式是電容量減少、漏電流增大及損耗角正切值增大。

 

6、小結

 

在電子線路中電解電容器是必不可少的，而且，隨著電子設備的小型化，越來越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐壓性能、無鉛化
，這也是電解電容器今後的發展方向。 小型化、大容量化的電容器可以通過使用铌
、鈦等新型介電材料及結構方麵的改進來達到。而低ESR
、低ESL化可以通過新型電解質的開發優化工藝及構造來實現，同時產品將向更高的電壓方向發展。 在發展日新月異的信息技術領域

，電容器將始終是關鍵元件之一，我們將應用新技術
、新材料不斷地開發出順應信息時代需求的高性能電容器。

 

 

推薦閱讀：