什么影响电解电容器的寿命？

如果你和一群设计工程师交谈，你可能很快就会形成这样一种观点：电解电容器的名声特别可疑。这种观点当然没有受到新千年前几年发生的所谓“电容器瘟疫”的帮助。在这些类型的电容器中使用的电解液混合不当会导致设备过早故障，而且通常，焊接它们的多氯联苯会出现“一点混乱”。由于使用某些品牌的“问题”电容器的商品具有很高的知名度，这成了大新闻。看到了吗这个维基百科链接如果你想看更多的细节。

然而，尽管存在电容器瘟疫的问题（维基百科报道称这是一次拙劣的工业间谍活动，导致使用了不正确的电解液配方），本文的重点是帮助设计者理解如何从电解电容器获得更多的使用寿命。我们不会深入比较不同元件的电解电容器寿命值。归根结底，你得到了你所付出的，不管你喜欢与否，电解电容器在许多设计中都是必不可少的。

导致电解电容器劣化和失效的主要机制是随着时间的推移电解液的缓慢蒸发，当然，在更高的温度下，这会变得更糟。这使得电容降低，有效串联电阻（ESR）更高。这是一个恶性循环，因为随着ESR的上升，任何由于纹波电流而产生的自热效应也会上升。这会导致显著的局部温度升高，从而进一步加速问题的发展。在过去，这影响了一些公司实施计划维护的规则，即每隔几年就用合适的更换部件更换电解电容器，特别是当系统用于关键应用时。

你经常会看到，一个电解电容器会有一个寿命数字，比如5000小时。我们要用 TDK（以前的EPCOS）产品介绍作为如何解释这些信息的示例。此数据表用于B41888电容器，这是我在相当关键的产品中使用过的一个，它的预期寿命很长。数据表摘要如下：

我用红色突出显示了相关区域。它告诉你一个8毫米直径的电容器将提供5000小时的使用寿命。生命只有208天，从表面上看，这是一个非常低的价值。然而，这一数字适用于105的工作温度°C。如果工作温度是10°C冷却器，95°C、 那么寿命就会翻倍。每10英镑就翻一倍°C降低到105以下°C。所以，如果特定电路中电容器的运行环境温度保持在55以下°C、 可以使用以下公式计算实际寿命：

实际使用寿命=【105°C时的寿命】*2x

其中“x”是（105°C-T实际）除以10。温度为55°C、 “x”=5，因此有效寿命从105岁时的5000小时延长°C至32 x 5000小时，55°C.现在已经18年了，更加实用。

关于上面的数据表，右边突出显示的一栏告诉你电容可能会从原来的值下降到比原来低40%的值组件的有效寿命. 所以，如果你选择1000μ对于你设计的电容器，你可以期望它的最低初始值是800μF基于数据表中规定的设备20%公差。因此，在它的“有效寿命”结束时，最坏的情况是它可能已经下降到这800个的60%μF初始值，也就是480μF。作为设计师，只有你能说这是否能为你的产品提供足够的最终性能。作为一个设计师，你必须考虑到这个退化因素，这一点至关重要。

对于B41888设备，数据表显示“棕褐色”可能会增加一倍寿命的三倍. Tan是损耗因子，或ESR与容性电抗之比，不应与之混淆损耗角正切. 作为参考，它也是Q因子的倒数。对于额定电压为35伏的B41888设备，tan在120赫兹时被列为0.12。一千美元μF电容器的电抗为1.326Ω 在120赫兹，这意味着ESR为0.159Ω.

这个数字正好是1000个电容器μF、 但我们看到它可能高达0.199Ω 对于位于初始公差范围低端的电容器（即800μF） 一。在它的寿命结束时，我们看到电容可能只有480μF、 因此，ESR可能上升到0.332Ω. 最后，由于tan在寿命期内可以降解三倍，ESR可能会增加到0.995Ω.

你从一个名义上是1000的电容器开始你的设计μF（ESR为0.159Ω), 现在你可以得到一个480的电容器μF的ESR约为1Ω. 你的设计能应付这种情况吗？它将如何影响性能？提示-模拟工具是你在这种情况下的盟友；用它们来看看效果。

B41888的寿命图假设它是在全纹波电流下运行的。但是，您也可以在数据表中找到适用于直径为8 mm的电容器的有用图表：

如果选择在额定纹波电流的50%下运行（Y轴上为0.5），这相当于在当地环境温度3°C下运行冷却器。这是一个23%的潜在寿命增长，有时，每多一点都可以算数。如果你需要推动纹波电流的包络线，你也可以从这个图表中得到你需要的信息。例如，如果在额定纹波电流为65°C时以50%的速度运行、 你仍然可以达到100000小时的使用寿命，就像你在71°C额定纹波电流的一半运行时一样。重要的是要注意，如果你不想损坏组件，图的深色部分是禁止进入的区域。

当工作电压低于最大额定电压时，您可以获得相当可观的寿命延长。最保守的估计是，当部件在50%的额定电压下工作时，寿命会翻倍。当然，当工作电压接近最大额定电压时，它会相应地变小。我已经看到了不那么保守的估计，但是，由于制造商信息中没有任何其他数据表明，我建议你坚持这种线性关系，不要期望寿命在翻倍之后有任何进一步的改善。

数据表中有许多方便的信息. 例如，对于我们在这里重点介绍的B41888电容器，数据表摘录表明，尽管直径为8 mm的设备寿命为5000小时，但直径为12.5 mm（或更大）的设备在10000小时时的寿命是前者的两倍。如果您的目标电容值允许选择直径，并且您的电路板上有空间，那么选择较大的部件将有助于提高寿命。例如，如果你选择100μF、 一个35伏的部件，你打算在30伏的电压下运行，你可以选择63伏额定电压的部件来获得很好的寿命效益。

35伏部分的直径为8毫米，而63伏部分的直径为10毫米。然而，10毫米部件的寿命为7000小时，只要在48%的额定电压下运行，就可以翻倍到14000小时。8毫米部件的使用寿命为5000小时，如果在30伏电压下工作，则只能增加到5833小时。所以，直径增加2毫米，你的寿命就会大大增加。

另一个考虑因素是纹波频率和纹波电流额定值之间的关系。例如，如果您的设计需要1000μF、 35伏元件，数据表会告诉你它的额定纹波电流是105°C为2.459安培，但这是在指定的100千赫。因此，如果应用程序以较低频率运行，则必须使用下面的图表来确定效果：

在低频（如120Hz）下，额定纹波电流仅为100kHz时值的65%。这意味着，对于120赫兹应用中的正确寿命评估，您被限制在一个更有限的额定纹波电流只有1.598A。

不要误会电解电容器在预期寿命内的性能与故障率或 平均无故障时间. 任何电子元件的突然和意外的故障都不同于元件的“老化”。当然，如果您设计的电路因电解电容器老化而停止工作，从用户的角度来看，这肯定是设备故障。然而，设计者的失败是没有意识到组件的性能是如何随着时间的推移而自然降低的。换句话说，这是一个设计故障，而不是组件故障。

一个电解电容器的平均无故障时间以百万小时为单位。尽管这可能会因为它储存的能量和周围的工作温度而降低，但离组件的使用寿命要低得多还差得远。

如果电解液有这样的问题，为什么它们被如此广泛地使用？有几个原因，但其中最主要的是能够获得高电压额定值和高电容电源设计通常需要. 由于电解液的化学性质，没有其他类型的元件能提供相同的高电容和高电压的组合。对于其他零部件，零件要么变得很大，要么大量零件需要平行放置。

在过去的一个项目中，我需要使用20个并联电解电容器（3300μF、 在最近的设计中创造了一个重要的储能装置。MTBF和MTBF的区别我会帮你理解的。电路接收到一个低毫安充电电流，但受到零星负载电流脉冲（以安培为单位）的影响。

关于整个存储设备的使用寿命，我完全预计并行组件会随着时间的推移而退化。换言之，所有20个组件的寿命预计与单个设备的寿命相同。然而，对于平均无故障时间（MTBF），单个器件的值需要除以20，因为元件是并联的，20个元件中的任何一个都可能发生短路，从而导致器件的故障。