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影响电解电容寿命的原因(二)
  1、设计上考虑因素  在非固态电解液的电容里,电介质为阳极铝箔氧化层。电解液作为阴极铝箔和阳极铝箔氧化层之间的电接触。吸收电解液的纸介层成为阴极铝箔与阳极铝箔之间的隔离层,铝箔通过电极引接片连接到电容的终端。  通过降低ESR值,可减少电容内由纹波电流引起的内部温升。这可通过采用多个电极引接片、激光焊接电极等措施实现。  ESR值和纹波电流决定了电容的温升。促使电容能有满意的ESR值的主要措施之一是:通常用一个或多个金属电极引接片连接外部电极和芯包,降低芯包和引脚之间的阻抗。芯包上的电极引接片越多,电容的ESR值越低。借助于激光焊接技术,可在芯包上加上更多的电极引接片,因此使电容能达到较低的ESR值。这也意味着电容能经受更高的纹波电流和具有较低内部温升,也就是说更长的工作寿命。这样做也有利于提高电容抗击震动的能力,否则有可能导致内部短路、高的漏电流、容值损失、ESR值的上升和电路开路。  通过对电容芯包和铝壳底部之间良好的机械接触及通过芯包中间的热沉,可将电容内部热量有效地从铝壳底部释放到与之联接的底板。  内部热传导设计对于电容的稳定性和工作寿命极其重要。在EvoxRifa公司的设计中,负极铝箔被延长到可直接接触电容铝壳厚的底部。这底部就成为芯包的散热片,以使热点的热量能释放。如选用带螺栓安装方式,安全地将电容安装到底板上(通常为铝板),可得到更为全面的具有较低热阻(Rth.)的热传导解决方案。  通过采用整体绕注有电极的酚醛塑料盖和双重的特制的封垫与铝壳紧密咬合,可大大减少电解液的损失。  电解液通过密封垫的蒸发决定了长寿命的电解电容工作时间。当电容的电解液蒸发到一定程度,电容将最终失效(这个结果会因内部温升而加速)。EvoxRifa公司设计的双层密封系统可减缓电解液蒸发速度,使电容达到其最长的工作寿命。  以上这些特性保证了电容在要求的领域中具有很长的工作寿命。3.2、影响寿命的应用因素  根据寿命公式,可以得出影响寿命的应用因素为:纹波电流(IRMS)、环境温度(Ta)、从热点传递到周围环境的总的热阻(Rth)。1.纹波电流  纹波电流的大小,直接影响电解电容内部的热点温度。查询电解电容的使用手册,就可以得到纹波电流的允许范围。如果超出范围,可以采用并联方式解决。2.环境温度(Ta)和热阻(Rth)  根据热点温度的公式,铝电解电容的应用环境温度也是重要因素。在应用时,可以考虑环境散热方式、散热强度、电解电容与热源的距离、电解电容的安装方式等。  电容器内部的热量,总是从温度最高的“热点”向周围温度相对较低的部分传导。热量传递的途径有几种:其一是通过铝箔和电解液传导。如果电容被安装在散热片上,一部分热量还将通过散热片传递到环境中。不同的安装方式和间距和散热方式都将影响电容到环境的热阻。从“热点”传递到周围环境中的总热阻用Rth来表示。采用夹片安装,将电容安装在热阻为2℃/W的散热片上,所得到的电容热阻值Rth=3.6℃/W;采用螺栓安装方式,将电容安装在热阻为2℃/W散热片上、强迫风冷速率为2m/s时,所得到的电容热阻值Rth=2.1℃/W。(以PEH200OO427AM型电容为例,环境周围温度为85℃)。
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影响电解电容寿命的因素(一)
  电解电容广泛应用在电力电子的不同领域,主要是用于平滑、储存能量或者交流电压整流后的滤波,另外还用于非精密的时序延时等。在开关电源的MTBF预计时,模型分析结果表明电解电容是影响开关电源寿命的主要因素,因此了解、影响电容寿命的因素非常重要。1.电解电容的寿命取决于其内部温度。  因此,电解电容的设计和应用条件都会影响到电解电容的寿命。从设计角度,电解电容的设计方法、材料、加工工艺决定了电容的寿命和稳定性。而对应用者来讲,使用电压、纹波电流、开关频率、安装形式、散热方式等都影响电解电容的寿命。2.电解电容的非正常失效  一些因素会引起电解电容失效,如极低的温度,电容温升(焊接温度,环境温度,交流纹波),过高的电压,瞬时电压,甚高频或反偏压;其中温升是对电解电容工作寿命(Lop)影响最大的因素。  电容的导电能力由电解液的电离能力和粘度决定。当温度降低时,电解液粘度增加,因而离子移动性和导电能力降低。当电解液冷冻时,离子移动能力非常低以致非常高的电阻。相反,过高的热量将加速电解液蒸发,当电解液的量减少到一定极限时,电容寿命也就终止了。在高寒地区(一般-25℃以下)工作时,就需要进行加热,保证电解电容的正常工作温度。如室外型UPS,在我国东北地区都配有加热板。  电容器在过压状态下容易被击穿,而实际应用中的浪涌电压和瞬时高电压是经常出现的。尤其我国幅员辽阔,各地电网复杂,因此,交流电网很复杂,经常会出现超出正常电压的30%,尤其是单相输入,相偏会加重交流输入的正常范围。经测试表明,常用的450V/470uF105℃的进口普通2000小时电解电容,在额定电压的1.34倍电压下,2小时后电容会出现漏液冒气,顶部冲开。根据统计和分析,与电网接近的通信开关电源PFC输出电解电容的失效,主要是由于电网浪涌和高压损坏。铝电解电容的电压选择一般进行二级降额,降到额定值的80%使用较为合理。3寿命影响因素分析  除了非正常的失效,电解电容的寿命与温度有指数级的关系。因使用非固态电解液,电解电容的寿命还取决于电解液的蒸发速度,由此导致的电气性能降低。这些参数包括电容的容值,漏电流和等效串联电阻(ESR)。参考RIFA公司预计寿命的公式:PLOSS=(IRMS)²xESR(1)Th=Ta+PLOSSxRth(2)Lop=Ax2Hours(3)B=参考温度值(典型值为85℃)A=参考温度下的电容寿命(根据电容器直径的不同而变化)C=导致电容寿命减少一半所需的温升度数  从上面的公式中,我们可以明显的看到,影响电解电容寿命的几个直接因素:纹波电流(IRMS)和等效串联电阻值(ESR)、环境温度(Ta)、从热点传递到周围环境的总的热阻(Rth)。电容内部温度最高的点,叫热点温度(Th)。热点温度值是影响电容工作寿命的主要因素。而下列因素又决定了热点温度值实际应用中的外界温度(环境温度Ta),从热点传递到周围环境的总的热阻(Rth)和由交流电流引起的能量损耗(PLOSS)。电容的内部温升与能量损耗成线形关系。  电容充放电时,电流在流过电阻时会引起能量损耗,电压的变化在通过电介质时也会引起能量损耗,再加上漏电流造成的能量损耗,所有的这些损耗导致的结果是电容内部温度升高。
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影响电解电容寿命的因素(三)
  另外将延长的阴极铝箔与电容器铝壳直接接触,也是很好的降低热阻的方法。同时应注意铝壳会因此带负电,不能作负极连接。  电容必须正确安装才能达到它的设计工作寿命。例如:RIFAPEH169系列和PEH200系列应该竖直向上安装或者水平安装。同时确保安全阀朝上,这样热的电解液及蒸气才能在电容失效的情况下,从安全阀顺利排出。  当电容排列很紧凑时相邻电容间至少应留出5mm的间隔以保证适量的空气流动。使用螺栓安装时,螺母扭矩的控制非常重要。如果拧得太松,则电容与散热片间就不能紧密接触;如果拧得太紧,又可能使螺纹损坏。同时应注意电容器不应倒置安装,否则可能造成螺栓的折断。  电容安装时应尽量远离发热元件,否则过高的温度会缩短电容器的使用寿命,从而使得电容器成为整个电路中寿命最短的部件。在环境温度较高的情况下,尽量采用强迫风冷,将电容安装在进风口处。3.频率的影响  若电流由基频和多次谐波构成,则须计算每次谐波产生的功率损耗值,并将计算结果相加以求得总损耗值。  在高频应用中,电容两端引线应尽量短以减小等效电感。  电容的谐振频率(fR),因电容器种类不同而不同。对于焊片式和螺栓连接式铝电解电容,谐振频率在1.5kHz至150kHz之间。如果电容器在高于谐振频率时使用,对外特性呈感性。4结语  综上所述,在避免非正常失效的情况下,选择正确的应用条件和环境,电解电容的寿命是可以保障的。
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贴片电容技术分析
  贴片电容采用坚固的全钽结构进行制造,可承受高应力和危险环境,非常适合应用于武器系统、雷达、无线收发机和电源等要求苛刻、高应力的国防和航天系统中的低压滤波和储能系统。贴片电容的容值为180μF~10,000μF,在120Hz和+25℃标准条件下的容差为±20%,也提供±10%的容差。  具有每单位体积容值最高的独特阴极系统,代表了在钽电容器技术上的最新突破。贴片电容兼具钽的内在可靠性和固钽的容值稳定性,没有电路阻抗的限制,大幅提高了容值等级。工作温度范围为-55℃~+85℃,电压降额情况下的温度可达+125℃,在120Hz下的最大ESR低至0.25Ω。  高可靠性贴片电容器的性能,扩大其在高压固钽贴片电容器领域的领先地位。不同于商用级电容器,这些器件具有所需的可靠性和在高可靠性应用中确保性能所必需的浪涌筛选选项,同时还能保持最大的容值电压乘积,该数值是衡量电容器能够储存多少能量的优值系数,可帮助设计者为其应用选择最佳的电容器。
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深入了解电阻的“功率”
  功率,指物体在单位时间内做功多少,是用于描述做功快慢的物理量,用字母P来表示。  P=W/t  电阻器在电路中作为纯耗能元件,其将电能转换为热能,这个热量被电阻吸收并最终耗散至环境中。固定阻值的电阻,其实际工作功率取决于两端的电压或电流:  P=UI=U2/R=I2R  电阻器作为一个实体物质,其所能承受的热量是有限的;超过其限度,阻值会发生较大的变化,甚至开路。  电阻器的额定功率:指电阻在正常气候条件下(如大气压、环境温度等),长时间连续安全工作可耗散或可承受的最大功率。一般我们取70℃静止自由空气中为额定功率的最大工作温度点,电阻额定功率记为P70。电阻实际使用时,需要留有一定的功率余量,建议为额定功率的一半。  我们注意到电阻的额定功率建立在确定的环境条件和在长时间连续安全工作的基础上。在这个过程中,电阻存在发热和散热两种变化,最终电阻会达到一个热平衡,并在其电阻体上建立起恒定的表面温度。该表面温度高于环境温度,并在电阻体可接受的范围内(即阻值波动在允许范围内)。额定功率就是这么一个单位时间内的热临界值;超过额定功率,那么热平衡时,电阻体上的表面温度就超出电阻可接受的范围。  如果我们能影响电阻的发热与散热能力,就能改变电阻的额定功率。电阻的额定功率取决于电阻的几何尺寸、电阻材料的允许温度、基板的热导率、环境条件等。电阻尺寸越大、电阻材料耐受能力越强、基板的热导率越高,环境温度越低或有空气流动,那么电阻的功率就越大。另外,可以通过安装散热器来改善电阻器的散热能力。当环境温度超过70℃额定功率最大工作温度点,散热空间被压缩,那么电阻也必须减少发热量,即降额。当环境温度接近电阻器允许温度时,此时如果再施加功率,电阻器的热量将无法正常散出,可能导致电阻烧毁。因此电阻长时间连续工作时,必须参照降功耗曲线。  短时间内,电阻的温度可以高于其允许温度;为了测试其耐受能力,我们通常会施加2-10倍的功率,持续5s,即短时过载测试,考验电阻的过载能力。  除了额定功率外,电阻在使用过程中,会碰到单个脉冲,或者是周期性脉冲的情形。为了更好描述此过程,我们引入电阻“最大脉冲功率”概念。  电阻最大脉冲功率:电阻工作时所能承受的最大瞬间电压,记作Ppulse;一般Ppulse要远远大于P70。  在很多情况下,经过电阻的瞬间电压非常大,持续时间却很短,即电阻产生的热量非常小。对于单个脉冲来说,单次发热时间很短,散热时间却是无穷长的,即单个脉冲的平均功率非常小,但是峰值功率却很大。这个瞬间的微小热量具有足够大的热能量密度来损坏电阻,使得阻值发生剧烈变化。打个比方,用筷子和针去刺破一块布,相同力量F下,针可以很轻松刺破布,而筷子却不行。这是因为,针头面积小,而筷子头面积大,针头可以产生足够大的压强来刺破布,而筷子却不行。
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预防贴片电阻失效的方法
  针对常规贴片电阻产品在某些特殊环境使用时会出现阻值变异、甚至失效等不良后果的现象,厂商们应该如何预防呢?  建议厂商应尽量避免在一些复杂的环境下使用贴片电阻。  例如:在各种类型的液体中阳光直晒/灰尘较多的地方的场所、存在静电或电磁波的地方。  可产生热量的部件/塑料线或其它易燃物品附近、用树脂或其它涂层材料密封的产品、焊接时使用不洁焊料或使用水/水溶性清洗剂清洗的产品等等。  下面我们再来了解一下贴片电阻其他重要属性:  电阻的允差及代码:一般的片状电阻的允差有4级其中F级及G级为精密电阻,J级及K级为普通电阻。  电阻的温度系数:一般厚膜型精密电阻的温度系数为25ppm/℃~±100ppm/℃,而普通电阻为±200ppm/℃~±250ppm/℃。  电阻阻值范围及标称电阻值:不同精度等级、不同尺寸大小的贴片电阻阻值范围不同。
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