铝电容器—做出正确选择

　　其总和应与时间域中信号的RMS 值接近。如果并非如此，所有元件均可乘以时间域中的值与频率域中的值之间的比值。可使用这些纠正的RMS 值来确定IA/IR 的值。

　　记住如何在元件规格上下文中认识所定义的温度及散热，这一点也很重要。铝电容器的额定温度为在额定纹波电流及额定电压下获得规定使用寿命时的最大环境温度。关键字为“环境”：实际上，由于纹波电流产生热量的影响，在电容器上测量的温度可能比环境温度高10℃。

　　根据IEC 60068 第4.6.2 节，如在Vishay 列线图中所使用的环境温度被定义为处于静态空气环境中相隔一定距离而可忽略散热影响时的温度。测量电源中的环境温度非常困难，因此，利用上述条件，大多数设计人员发现电容器外壳的温度提供了非常接近的第一个近似值。

　　但如果等效应用纹波电流IA 大于电容器的额定纹波电流(IR)，则该应用可能会使器件产生很大热量，从而导致外壳温度与环境温度值出现偏差。如果的确如此，若要确保所计算的使用寿命可正确反映这些应用情况，则必须使用另一个测量点来估算周围空气温度。

　　如果纹波电流导致的铝电容器产生的热量致使器件不能达到规定的使用寿命，则可能需要在设计中提高冷却效果。在制定这种冷却策略时要注意的第一点是铝电容器会通过辐射散掉很大热量：通过辐射同样可轻松加热本来利用辐射来冷却的表面。为避免过热，设计人员因而应避免将铝电容器放置在接近热元件的位置，例如散热片或变压器。

　　如果使用对流冷却(请参见图6)，在对板面进行物理布局时必须谨慎。当空气在热元件的上方流动时会快速升温，如果通过风扇冷却多个等同加载的铝电容器(例如输出电源上的并行铝电容器)，最好将它们放置在与气流垂直的一条线上，并且使它们之间保持足够的间距(一般这一距离应不少于元件直径的一半)。

　　通过传导冷却一般比使用辐射或对流更加有效。安装具有极大自加热性的铝电容器时，使其底座与(冷却)散热片接触将会大幅降低温度。注意，更高的冷却会使应用条件与用于确定额定纹波电流的参考条件不同。这再次需要添加校正因数。通常，确定相应的Rth 及ESR 值并使用它们来计算铝电容器的预计工作温度更加简单。在IA/IR = 0 时将此温度作为该列线图中的Tamb 可确定相应的使用寿命乘数。

　　我们已注意到，在高频及低温时，在计算电路工作特性的过程中可忽略ESR 值。到目前为止，我们使ESR 仅与电阻损耗及因纹波电流产生的热相关。但铝电容器的ESR 可产生其它影响，尤其是对于频率大于10kHz的情况，在这种情况下，ESR 是影响铝电容器阻抗的主要因素。
再次考虑铝电容器的等效电路可关注这一影响(请参见图3)。

　　当电流对铝电容器进行充电/放电时，它会改变该电容器中的电压(因为I = C .dv/dt)，并会在ESR 中产生压降(因为V = I·R)。如果电容器通过高频、高电流脉冲充电(例如，对于回扫电源的输出电容器来说这是一种典型情况)，则ESR 中的压降导致的纹波会高于电容充电/放电导致的纹波。这样，输出电压上允许的最大纹波便会确定该电容器的规定最大ESR。应再次强调，高频ESR 随温度而变化，当铝电容器的温度升高时，其ESR 值会降低。因此，当电源温度升高时，纹波电压将下降。

　　通过选择具有低ESR(最佳材料)、薄而长的封装(低箔阻)及大尺寸(接触纸/电解质的箔更多)的元件系列可获得最低的高频ESR 值。由于铝电容器一般与箔只有两个连接，因此并联使用多个更小的元件一般会提供比单个大器件更低的高频ESR。

　　在其它多种情况下，使用铝电容器需要特别小心。尤其是，在使用前经过了长期存放以及与其它器件(相同或不同)并联或串联时需要仔细考虑漏电流。在其它情况下，铝电容器的机械设计可能会对电源的设计产生较大影响。

　　长期存放主要影响元件的直流漏电流。漏电流是由于铝电容器的电解质与氧化铝层发生化学反应并慢慢分解氧化铝的过程中出现的特性。施加电压会产生电化学反应，从而重新构建该层。当该氧化层的薄弱点被重新构建时，电流会下降到平衡分解氧化铝的化学反应所需的水平。为此电化学反应供电的电流称为漏电流。

　　如果铝电容器在一段时间内尚未使用，则在第一次通电时氧化层厚度的降低会使传输的漏电流增加。该电流产生的热量会进一步损坏器件本身。保质期指示了在不会极大增加漏电流的情况下可存放铝电容器的时间。对于85℃、105℃及125℃ 的部件，Vishay 铝电容器的保质期在20℃时分别为3 年、4 年及10 年。

　　如果在存放后发现漏电流太高，则在将该铝电容器内置到电源中之前对其施加电压将会恢复氧化层。为防止在此过程中过热，必须限制漏电流。该电流限制可通过公式Imax = Asurf/Ur 加以计算，其中Imax 为最大电流，单位为mA，Asurf 为铝电容器的表面积，单位可为mm2，Ur 为该电容器的额定电压。铝电容器中的电压应永远不超过Ur。

　　我们已经认识到，在电源电路中以并联方式连接铝电容有若干优势：主要是纹波电流可于器件之间共享。例如，两个相同的并联铝电容可各使用一半纹波电流值，因此将IA/IR值实现平分。因温升与IA/IR二次幂互成比例，增量将仅为使用单一铝电容时所产生的四分之一。若IA/IR大于一，元件寿命则可大大延长。

　　将此类器件以并联方式连接以共享纹波电流时，需考虑到铝电容在温度、频率及时间方面的依赖性。因各铝电容端子之间的电压Uf相同，通过各器件的纹波电流If取决于其阻抗Zf(f为纹波电流的频率)。利用等效电路模型(见图3)运算出下列结果：

　　其中

　　处于多数电源中使用的较高频率时，ESRf将是该有效阻抗中的主导条件，即：ESRf为最低值的铝电容将处理最高纹波电流，并因此以最高温度运行。此类高温将导致老化过程加速，随时间推移而促使欧姆损耗(ESRf)加快。这将导致其总纹波电流的共享值降低，温度也会降低。其它铝电容的总纹波电流共享值则会增加，正如其温度及老化率也将增高一样。该纹波电流的“平衡效果”最终确保并联电容的寿命接近估算值。

　　对于通常为电源频率两倍的低频率而言，包含Cf在内的条件是阻抗中的主导条件。因此，Cf值为最高的铝电容将会处理最高纹波电流，并以最高温度运行，引起老化过程加速。同样，这即是说：其欧姆损耗(ESRf)随时间推移而加快。然而，若配予Cf的值变化不大，该器件将继续处理最高纹波电流。在此情况下，并联电容的寿命则会短于估算值。

　　在多数电源中，电源缓冲电容器内的IA/IR比率小于一，因此，欧姆损耗所引起的自动加热对其寿命不造成大的影响。因此，由上述纹波电流共享而造成的寿命缩短将不会很严重。

　　有时，配套铝电容的额定电压低于其应用所要求的值。在此情况下，两个或以上元件必须以串联方式连接，以确保单个铝电容的额定电压未超值。

　　以串联方式连接需使用平衡电阻抵消漏电流在其他相同器件之间(在所加电压相同情况下)变化幅度较大的情况。因此，通过各电容强制形成相同电流将导致电压的平均分配，并使其中一个器件受到了超出其最大额定值的电压。为避免此情况，设计人员必须合并平衡电阻，其中一个电阻与各电容并联。该方法限制了各个电容在直流情况下的电压差异。

　　要求的电阻值可通过对下列条件的掌握情况进行计算：任一电容所需最大电压(Um通常与额定电压相同)；整个网络(Utotal)的总电压；以及五分钟后所指定的安培漏电流IL5(接近两个电容之间的漏电流差异)。然后，最大电阻值可以下列公式算出：

　　对于选择电容的最后一条要求是，电容必须适配目标电源的实际尺寸。明智的做法是在设计时确认实际最大尺寸，而不是依赖于数据手册中列出的标称尺寸。通常，电压及最高温度额定值越低，器件的体积则越小。然而，需牢记的是，小型铝电容的寿命有时短于大电容的寿命。对于在高度方面有特殊限制的应用设备，轴式铝电容可能更为合适。

　　许多铝电容系列还提供各类脚接与引导配置。例如，已开发的三脚SI配置用于防止反向安装，而同时保持与标准两脚SI配置的兼容性。此点非常重要，因为反向安装除目测检查外无其他方式可以检测到。

　　此外，也可采用对标准结构设计的特殊更改，使铝电容能够处理高于标准额定值的振动水平。

　　诸如Vishay之类的公司提供各类铝电容(部分系列请见表2)。在300W额定功率及125℃的最高温度下，设计人员可将ESR的寿命、尺寸及形状系数最优化。

　　此类各系列器件反映了无源元件在电路性能中的重要作用。生产商之所以制造诸多不同器件，是因为设计人员的需要。该事实不仅体现了要求的多样性，也体现了满足此类要求时选择元器件的重要性。

　　通过指定正确的元件，工程师可省去“围绕”问题区域被动进行设计的麻烦。对元件(如铝电容)工作模式及其特性描述方式已有详细了解，因此，电源设计人员可快速锁定解决方案，并设计出寿命更长、性能更佳且效率更高的设备。这样，此类“商品”便可在当今市场几乎各种电子产品的设计中大有所为。■