铝电解电容的寿命计算
铝电解电容器的寿命
使用条件对于铝电解电容器的寿命有很大的影响。使用条件可分为环境条件和电条件。
环境条件有温度、湿度、气压、震动等，其中温度对于寿命的影响是最大的。
电条件有电压、纹波电流、充放电条件等。
一．周围温度和寿命
周围温度对寿命的影响体现在电容量的减少、损耗角正切值的增大，这些现象起因是电解液从封口部分向外部渐渐扩散。电性能的时间变化和周围温度之间的关系可得出下列公式。
L x=L o*B To-Tx/10
Lo：在最高使用温度下，额定施加电压和额定纹波电流
重叠时的保证寿命（hours）
Lx：实际使用时的预计寿命（hours）
To：产品的最高使用温度（℃）
Tx：实际使用时的周围温度（℃）
B：温度加速系数
在此温度加速系数B若在最高使用温度以下的话，B=2进行计算，10 ℃的升温即等于约两倍的加速率。电解电容应用时，须考虑环境散热方式、散热强度、电容与热源的距离、电容的安装方式。
二．施加电压和寿命
用于绝大多数的机器中的贴片式（SMD）、引线式（radial）、基板自立式（snap-in）之电容器，使用条件在最高使用温度和额定电压值以下的情况时，施加的电压所产生的影响与周围温度的加速和纹波电流的加速所产生的影响相比可以忽略不计。
另，用于高功率电子仪器的螺丝端子式（screw）电容器中350VDC以上的高压品占主流，
由于作为铝电解电容器导电体的氧化膜(Al
2O
3
)的性质，额定电压以下的施加电压值的大小将
影响其寿命。
三．纹波电流重叠时的寿命
由于铝电解电容器和其他的电容器相比损耗较大，因而纹波电流会导致内部发热。纹波电流产生的热又会使温度上升，所以对于产品寿命有很大影响。这样一来，需事先根据不同产品设定最大允许纹波电流值。外加纹波电流的发热度可由下面的计算式得出。
W=I r2* ESR +V*I L
W：内部的消耗电力
I r：纹波电流
ESR：内部电阻（等效串联电阻）
V：外加电压
I L：漏电流
在最高使用温度下，漏电流增加到20℃时的5~10倍，但仍然I r≥I L，则W= I r2〃ESR。要求出内部发热和放热达到平衡的条件，则
I r2〃R=β*A*ΔT
β：放热常数
A：外壳表面积（m2）
A=π/4〃D(D+4L)
D：外壳的直径（m）
L：外壳的长度（m）
ΔT：因纹波电流所上升的温度（℃）
那么，内部发热ΔT= Ir2〃ESR β*A
另外，纹波电流在120Hz的情况下发热可由（7）式得出：
△T= I r2·ESR
=
I r2·tanδβA βAωC
（在这里ESR = tanδ
）ωC
tanδ：120Hz时的损耗
ω： 2πf（f等于120Hz）
C ：120Hz时的电容（F）
ESR值是根据温度的变化而变化，因此，要求出正确的△T必须实际测得热电偶的数值。顾及由纹波电流产生的内部发热和周围温度的影响,NIPPON-CHEMICON寿命推定式是：
a)施加DC标称电压时的保证寿命为
Lx=Lo×2 To-Tx
×2
-△T
〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃（贴片型）10 5
b)允许纹波电流重叠时的保证寿命为
Lx=Lr×2 To-Tx
×2
△T o-△T
〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃（引线型、基板自立型）10 5
C）
Lx=Lr×2 To-Tx
×2
-2+（25-△T）/b
〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃（螺丝端子型）10
Lr：在最高使用温度下标称纹波电流重叠时的保证寿命（hours）
Lx：实际使用时的推测寿命(hours)
To：产品的最高使用温度（℃）
Tx：实际使用时的周围温度（℃）
T：纹波电流导致的芯子中心发热度（℃）
To：施加允许纹波电流时的芯子中心发热度（℃）
（最高使用温度105℃系列的△T o=5℃）
※关于T X（实际使用时的周围温度）的注意事项
在温度加速试验中，确认10℃2倍准则的是40℃~最高使用温度的范围内，
从市场退回的产品测定结果中可以看出，20~25℃范围内可以用10℃2倍准则进行研究，但是应用中的环境条件大多不明确，因此40℃以下的话请当作40℃来进行寿命预测。
※关于ΔT（纹波电流导致芯子中心发热）的注意事项
周围温度+ 纹波电流导致芯子中心发热的界限值
5℃的最高界限（合计110℃），周围温度为65℃时纹波电流产生的热最高为25℃（合计90℃），这两种情况的寿命是相同的。
要求得纹波电流自身发热的值，需用热电偶测出电容器芯子中心的温度和电容器周围的温度，两者之间的差即是纹波电流自身发热的值，这样求出的数值是最正确的。但是，由于在实际的机器中要测出电容器内部的温度是非常困难的，因此先测定电容器外壳侧面的温度，在运用下记温度差系数来推定芯子中心部分的温度。
波电流产生的自身发热值ΔT 。最高使用温度、多数系列的ΔT 0=5℃。至于其他系列请参照供应商资料。
ΔT=（I X /I 0）2×ΔT 0 (12)
I 0：最高使用温度下的被频率修正的额定纹波电流（Arms ） I X ：实际使用时的纹波电流（Arms ）
※开关电源中铝电解电容器商用电源频率成分和switching 频率成分重叠时，其内部消耗电力如下式所示。
W=I （f 1）2×ESR （f 1）+ I （f 2）2×ESR （f 2）+…+ I （f n ）2×ESR （f n ） W: 消耗的电能
I(f 1)、I(f 2) …I(f n )：各式各样不同频率下的纹波电流值（Arms ）
ESR(f 1)、ESR(f 2) … ESR(f n )：各式各样不同频率下的等效串联电阻值（Ω）
设各频率下的频率修系数为F （f n ）,f 0是纹波电流基准时的频率，要让ESR(f n )= ESR(f 0)/ F （f n ）2的关系成立；用下列公式换算各频率成分的纹波电流值为基准的频率的纹波电流实效值（f 0）
I （f 0）=√【｛｛I(f 1)/F(f 1)｝2+｛I(f 2)/F(f 2)｝2 +…｛I(f n )/F(f n )｝2｝】 I(f 0)：换算基准频率纹波电流值（Arms ）
F(f 1) 、F(f 2) …… F(f n )：各种频率f 1 f 2 …… f n 下的频率补正系数
通常，额定纹波电流值被120H Z 的正弦波实效值规格化。内部电阻（ESR ）为保持频率特性，允许纹波电流值会根据频率的改变而改变。
（
四．关于影响寿命的其他因素
铝电解电容器的电解液会通过封口部分向外扩散，由此产生的渐耗故障成为决定寿命长短的重要原因。使该现象加速的原因除了前面提到的周围温度和纹波电流这两个原因之外，还有下面几个原因。
4.1 过电压
若连续施加超过额定电压的过电压，产品的漏电流急速增大。因漏电流导致发热及气体的产生，从而引发内压也随之上上升。这一反应会根据施加的电压、供给电源的电流容量、环境温度的上升而加速，有时会导致压力阀松开甚至被损坏的情况。即使电容器外观没发生异常，其寿命也会变短。
将电容器串联使用的情况下，因漏电流偏离分压变得不平均，个体易施加上过电压。这样的话，必须采取选定估计不平衡的额定电压或者连接均压电阻等等措施。
建议均压电阻选择：R = V W /3I漏电流
目前由于节能要求，均压电阻阻值的选择越来越大，对电容器的容量、漏电流一致性要求越来越高。
4.2 逆电压
施加逆电压，电压加在无化成膜的阴极箔上，导电体氧化膜被强制形成，则这样和过电压的情况一样地会引发发热和气体的产生，致使电容量急剧减少，损耗角增大。
阴极反应：4OH- - 4e = 2H2O + o2 + 热量
3O
2 + 4Al = 2Al
2
O
3
阳极反应：2H+ + 2e =H
2
逆电压、逆电流过大，伴随气体产生、阳极箔和压力阀被损坏。压力阀若来不及打开，会产生爆炸。
4.3 充放电
把一般产品用于开关频繁的频闪闪光灯、铆接机的充放电电路和输出功率大的AV机器的电源电路中，因放电电流使阴极箔化成、电容量急剧减少。还有阴极箔化成时产生内部发热和气体的产生，会导致压力阀松动甚至被损坏。温度越高，放电电阻越低、施加电压越大，充放电频率越快的话，那么产品恶化的速度也就越快。
一般地，将铝电解电容器放臵于激烈的充放电电路中的话，因充电后放电的原因，阴极箔生成化成膜，电容量迅速减少。阴极侧和阳极侧短路，原本储存在阳极一侧的电荷瞬间移往阴极箔一侧，这时，两侧箔的电压为了相等，阴极箔一侧渐渐被化成。这与施加逆电压的
状态相同。
1.通常的充电状态
2.断开电源V
1
，放电了的话，阳极箔一侧的电荷会移向阴极箔一侧，由于整体电荷量不变，即Q=C+〃V2+C-〃V2,则
C+〃V1=C+〃V2+C-〃V2
V2= C+〃V1 C++ C-
16V10000μF的情况下，外部施加电压假设为13V，电容器尺寸若为Φ50×80L的话，阳极箔为5.3μF/cm2、阴极箔为100μF/cm2，那么
V2=5.3*13 /（5.3+100）=0.65(V)
若制造Φ35×50L尺寸电容器的话，阳极箔必须使用高倍率箔，阳极箔为11.5μF/cm2、阴极箔为100μF/cm2的话，那么
V2=11.5×13 /（11.5+100）=1.34(V)
因此，使用高倍率阳极箔的情况下，放电时会产生更高的电压于阴极箔，则加速阴极化成反应，导致发热、压力阀松动。小型化了话，要采取使用高倍率阴极箔或者附有氧化膜的阴极箔等对策。
4.4 脉冲电流
若频繁地反复操作，则情况与施加过纹波电流相同，芯子发热度超过允许值，在外部端子的连接部分及电容器内部的引出线和箔的连接部分会有异常发热，需引起注意。
4.5 用于交流电路
如果铝电解电容器用于交流电路的话，在电容器内部迅速产生气体的同时还伴有发热、内压上升，由此进一步导致压力阀动作、从封口部分漏出电解液，甚至最糟糕的话有时还会引发爆炸,可燃物飞散，有时还会导致短路。所以，请千万不要用于交流电路中。
五铝电解电容的主要失效模式（案例）
MTBF寿命计算公式
寿命计算公式 MTBF （平均间隔失效时间）预估 概述 MTBF之计算系依据军用手册MIL-HDBK-217F “电子设备之可靠性预估” 来 进行，此部份涵盖了电子零件实际的应力关系、失效率。MIL-HDBK-217 的基 本版本将保持不变，只有失效率的资料会更新。在评估过程之前，应确定各元 器件的相关特性（如基本失效率、质量等级，环境等级等等）。 定义 “MTBF”的解释为“平均间隔失效时间”而MTBF是由MIL-HDBK- 217E.F计算，以25 C环境温度为参考温度。 电解电容寿命预测 Rubycon 品牌的电解电容的寿命计算公式 L X=Lr X2【（T°-Tx）/1°】X2（A r s/Ao- A Tj/A） L X预测寿命（Hr）, Lr：制造商承诺的在最高工作温度（To）及额定纹波电流（Io）下的寿命， To：最高工作温度一105C或85C, Tx:实际外壳温度（C）, △Ts：额定纹波电流（Io）下的电解电容中心温升「C）, △Tj:实际纹波电流（lx）下的电解电容中心温升（C）, A: A= 10 —0.25XZTj,（0 Io：额定的纹波电流值（Arms）, R:电解电容的等效串连阻抗（Q）, S:电解电容的表面积（cm2）, S=dDX（D+ 4L）/4 , B：热辐射常数，一般取3= 2.3 X1O-3XS0.2, D:电解电容的截面积的直径（cm）, L:电解电容的高度（cm）, nichicon品牌的电解电容的寿命计算公式 2 L X= Lr X2【（To-Tx）/10] x21-（Ix/Io ）/K, K:温升加速系数，二10—6X（Tx—75 C）/30 （Tx W75C 时，K 值 取 10） 其余字符的表达含意同上。 其余品牌的电解电容的寿命计算公式 2 b= L r X2【（To-Tx）/10]眾1-（Ix/Io ） ] XZTo/10 △To：最高工作温度下的电解电容中心容许温升（取△T o= 5C）, K= 2,纹波电流允许的范围内；K= 4,超过纹波电流允许的范围时。 铝电解电容的寿命 电源产品中经常用到铝电解电容，他的寿命往往决定了整个产品的寿命。因此，了解如何计算铝电解电容的寿命很有必要。下面将我的一些心得整理出来，供大家参考。希望有助于提高国人的知识水平。说白了很简单，只不过很多人找不到相关的资料而已。同时也希望学校的教材中能够近早讲解相关知识。我尽量少翻译，因为我的语言能力及相关的专业术语还不行。仅供参考。 Chapter 1铝电解电容的特性 1.1 Circuit model （等效模型） The following circuit models the al uminium electrolytic capacitor’s normal operation as well as the over voltage and reverse voltage behavior. （此模型包含正常运行，过压，反压时的特性） C A C c R P ESR L D = Anode capacitance (阳极电容) = Cathode capacitance(阴极电容) = Parallel resistance, due to dielectric (并联电阻) = Series resistance, as a result of connections, paper, electrolyte, ect. 等效串联电阻= Winding inductance and connections 等效串联电感 = Over and reverse voltage 等效稳压管 The capacitance Ca and Cc are the capacitance of the capacitor and is frequency and temperature depended. （Ca and Cc，它的容量是频率及温度的函数） The resistance ESR is the equivalent series resistance which is frequency and temperature depended. It also increases with the rated voltage. （ESR是频率及温度的函数，随着额定电压的增加而增加） The inductance L is the equivalen t series inductance, and it’s independent for both frequency and temperature. It increases with terminal spacing. （L是频率及温度的函数） The resistance Rp is the equivalent parallel resistance and accounts for leakage current in the capacitor. It decreases with increasing the capacitance, temperature and voltage and it increases with time. （Rp的大小决定了漏电流的大小，随着容量温度电压的增加而降低，随着使用时间的延长而增加） The zener diode D models the over voltage and reverse voltage behavior. Application of over voltage on the order of 50 V beyond the cap acitor’s surge voltage rating causes high。（D模拟过压及加反向电压时特性）Leakage current and a constant voltage-operating mode quite like the reverse conduction of a zener diode. Applications of reverse voltage much beyond 1.5 V causes high leakage current quite like the forward conduction of a diode. Neither of these operating modes can be maintained for long because hydrogen gas is produced, and the pressure built up will cause failure. （加到电容两端的反向电压不能大于1.5V） 1.2 Capacitance （电容的容量） The rated capacitance is the nominal capacitance and it is specified at 120 Hz and a temperature of 25°C. Capacitance is a measure of the energy storage capability of a capacitor at a given voltage. （额定容量：标称电压，120Hz, 25°C时测量）。 The capacitance decreases under load conditions and increases under no load conditions over time. When 寿命计算式 寿命计算式 寿命计算式 Electrolytic Capacitor Ripple Current Derating Test Method and Life Time Evaluation From：郭雪松 Date：Oct-27-04 一．SPEC 1.电解电容零件工程规格书中之Standard Rating表格，其中规定了不同规格的电解电容Rated Ripple Current值，例如：Sharp机种PWPC C904(滤波电容) 67L215L-820-15N (CNN公司KXG Series) 2.此电容用于电源输入端滤波，因此采用120Hz时的Rated Ripple Current规格715mA。 3.而用于评估电解电容Ripple Current之Spec要依据以下公式： SPEC=Spec（component）×频率系数（FM）×温度系数（TM）注：FM/TM取值方法见附表 4.OTPV 评估电解电容Ripple Current的Derating规格为85％，因此测试值 线电流的有效值（rms），测试时要调整输入电压值（90V～264V）达到纹波电流最大。见图示： Irms 三．附表（FM&TM取值方法）：NCC公司产品为例 1.Multiplying Factors on KMG Series（radial lead type） Frequency Multipliers Temperature Multipliers 2. Multiplying Factors on KY Series Frequency Multipliers 铝电解电容器寿命的计算方法 LIFETIME CALCULATION FORMULA OF ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITORS 铝电解电容的寿命的计算公式 1. Lifetime Calculation Formula 寿命计算公式 L : Life expectancy at the time of actual use. 实际使用平均寿命 Lb : Basic life at maximum operating temperature 最大工作温度下的基本寿命Tmax : Maximum operating temperature 最大工作温度 Ta : Actual ambient temperature 实际环境温度 ΔTjo : Internal temperature rise when maximum rated ripple current is https://www.360docs.net/doc/614059032.html,R, USC, USG : 10℃VXP : 3.5℃Other type : 5℃ 加上最大额定波纹电流后，电容器的内部温升USR, USC, USG :：10℃VXP ：3.5℃其它类型：5℃ ΔTj : Internal temperature rise when actual ripple current is applied. 加入实际波纹电流后，电容内部的温升 F : Frequency coefficient 频率系数［这个不李理解］ Io : Rated ripple current at maximum operating temperature 最高工作温度时的额定波纹电流 I : Actual ripple current 实际波纹电流 2. Ambient Temperature Calculation Formula 环境温度计算公式 If measuring ambient temperature (Ta) is difficult, Ta can be calculated from surface temperature of the capacitor as follows. .Ta = Tc –ΔTj/α如果测量环境温度Ta有困难，Ta可以根据电容器的表面温度按下式计算：Ta = Tc –ΔTj/α Ta : Calculated ambient Temperature 计算所使用的环境温度 Tc : Surface Temperature of capacitor 电容器的表面温度 α : Ratio of case top and core of capacitor element ［此处不太理解］ CaseφD ≤ 8 10,12.5 16, 18 20, 22 25 30 35 α 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 3. Ripple Current Multiplier 额定电流系数 (1) Temperature coefficient 温度系数 Temperature coefficients are shown as below. 温度系数选取如下： 电解电容寿命分析 像其它电子器件应用一样 , 电解电容同样遵循一种被称为“Bathtub Curve”的失效率曲线。 其表征的是一种普遍的器件（设备）失效率趋势。但在实际应用中，电解电容的设计可靠性一般以其实际应用中的期望寿命（ Expected Life ）作为参考。这种期望寿命表达的是一种磨损失效（ wear-our failure ）。如下图所示，在利用威布尔概率纸（ Weibull Probability Paper ）对电解电容的失效率进行分析时可看到在某一使用期后其累进失效率曲线 (Accumulated Fallure Rate) 斜率要远大于 1 ，这说明了电解电容的失效模式其实为磨损失效所致。 影响电解电容寿命的因素可分为两大部分： 1) 电容本身之特性。其中包括制造材料（极片、电解液、封口等）选择及配方，制造工艺及技术（封口方式、散热技术等）。 2) 电容设计应用环境（环境温度、散热方式、电压电流参数等）。 电容器件一旦选定，寿命计算其实可归结为自身损耗及热阻参数的求取过程。 1 、寿命评估方式 电解电容生命终结一般定义为电容量 C 、漏电流（ I L）、损耗角（ tan δ）这三个关键参数之一的衰退超出一定范围的时刻。在众多的寿命影响因素中，温升是最关键的一个。而温升又是使用损耗的表现，故额定寿命测试往往被定为“在最大工作温度条件下（常见的有 85degC 及 105degC ），对电容施以一定的 DC 及 AC 纹波后，电容关键参数电容量 C 、漏电流（ IL ）、损耗角（ tan ）的衰竭曲线”。如下图所示： 2 、环境温度与寿命的关系 一般地（并非绝对），当电容在最大允许工作环境温度以下工作时（一般最低到 + 40degC 的温度范围），电解电容的期望寿命可以根据阿列纽斯理论（ Arrhenius theory ）进行计算。该理论认为电容之寿命会随温度每十摄氏度的上升而减半（每上升十摄氏度将在原基础上衰减一半）。从而可以得到如下寿命曲线以及用于计算寿命的环境温度函数 f(T )： 环境温度函数 f(T ) ： 在一些纹波电流很小以致其在 ESR 上损耗引起的温升远远小于环境温度的作用时（例如与几乎无纹波的 DC 电源并联使用），即可认为电容器里面的热点温度与环境温度相等。一般可以按下式进行寿命计算： L OP=LoXf(t) 铝电解电容器与温度之间的关系 BIT 销售经理郑淋先生 现如今市场上铝电解电容器的温度标准有85度、105度、125度、130度等几种，很多工程师的选择的时候不是很在意这个问题，所以就会导致很多时候电容没用多长时间就出问题。 铝电解电容器作为电子产品的重要部件，在电路中起着不可或缺的作用，它的使用寿命和工作状况与整体产品的寿命息息相关。当电路中铝电解电容器发生损坏，特别是铝电解电容器爆炸，电解液外溢时，那到底是电容器的质量出问题还是整体线路设计不合理呢？了解铝电解电容器的寿命与温度之前的关系，能为电子工程师提供一些判断依据。 阿列纽斯方程是用来描述化学物质反应速率随温度变化关系的经验公式。电解电容内部是由金属铝等和电解液等化学物质组成的,所以电解电容的寿命与阿列纽斯方程密切相关。 阿列纽斯方程公式：k=Ae－Ea/RT或lnk=lnA—Ea／RT(作图法) K化学反应速率, R为摩尔气体常量， T为热力学温度， Ea 为表观活化能， A 为频率因子 根据阿列纽斯方程可知,温度升高，化学反应速率（寿命消耗）增大，一般来说，环境温度每升高10℃，化学反应速率(K 值)将增大2-10倍，即电容工作温度每升高10℃，电容寿命减小一倍,电容工作温度每下降10℃，其寿命增加一倍，所以,环境温度是影响电解电容寿命的重要因素 根据阿列纽斯方程结论可知，铝电解电容器使用寿命与温度之间的计算公式如下 L=L 0×2T0?T110 L:环境温度为T1时铝电解电容器的使用寿命，单位：H L 0：额定寿命，单位：H T 0：额定最高使用温度，单位：℃ T 1：环境温度，单位：℃ 举例说明：如果产品的额定温度为85度，2000小时的额定寿命，那么如果环境温度在55度时，铝电解电容器的使用寿命则为16000小时（约1.8年），那换成BIT 的铝电解电容器呢，那么同样是85度的产品，那使用寿命则为24000小时（约2.7年）， 寿命计算公式MTBF（平均间隔失效时间）预估 概述 MTBF之计算系依据军用手册MIL-HDBK-217F“电子设备之可靠性预估”来 进行，此部份涵盖了电子零件实际的应力关系、失效率。MIL-HDBK-217的 基本版本将保持不变，只有失效率的资料会更新。在评估过程之前，应确 定各元器件的相关特性（如基本失效率、质量等级，环境等级等等）。 定义 “MTBF”的解释为“平均间隔失效时间”而MTBF是由MIL-HDBK-217E.F 计算，以25℃环境温度为参考温度。 电解电容寿命预测 Rubycon品牌的电解电容的寿命计算公式 L X＝Lr×2[(To-Tx)/10]×2(ΔTs/Ao-ΔTj/A)， L X：预测寿命（Hr）， Lr：制造商承诺的在最高工作温度（To）及额定纹波电流（Io）下的寿命， To：最高工作温度—105℃或85℃， Tx：实际外壳温度（℃）， ΔTs：额定纹波电流（Io）下的电解电容中心温升（℃）， ΔTj：实际纹波电流（Ix）下的电解电容中心温升（℃）， A：A＝10－0.25×ΔTj，（0≤ΔTj≤20） Ao：Ao＝10－0.25×ΔTs， 其中 ΔTs＝α×ΔTco＝α×Io2×R/（β×S）， ΔTj＝α×ΔTcx＝α×Ix2×R/（β×S）， ΔTco：额定纹波电流（Io）下的电解电容外壳温升（℃）， ΔTcx：实际纹波电流（Ix）下的电解电容外壳温升（℃）， α：电解电容中心温升与外壳温升的比例系数， Ix：纹波电流的实际测量值（Arms）， Io：额定的纹波电流值（Arms）， R：电解电容的等效串连阻抗（Ω）， S：电解电容的表面积（cm2），S=πD×（D＋4L）/4， TO : PI Electronics HK Life Estimation Formula ?For Input Filtering (ripple frequency 100 - 120Hz) : 160V or Higher Rated Voltage Available to apply KMG, KMH, KMM, KMQ, SMH, SMM, SMQ and some other series for input filtering .........................................................................…........... Page 2 - 4?For Output Filtering (ripple frequency 10k - 100kHz) : Low-ESR Radial Type Capacitors up to 100V Rated Voltage Available to apply KY, KZE and KZH series for output filtering ................................… Page 5 Available to apply LXJ, LXV, LXY, LXZ, KMY series for output filtering.................... Page 6 - 8?For Snap-ins and 105o C Radial up to 100V rated items ..................................... Page 9 Available to apply KMH and SMH series for Snap-ins Available to apply KMQ, KMG, KME, KMF series for 105o C Radial ?For other types, general use capacitors .............................................................. Page 10 Available to apply Chip, 5mm height, 7mm height, Other Radial ?Appendix ..................................................................................................................... Page 11, 12 Nippon Chemi-Con Corporation Revised May03, 2004 HCC Engineering Koh Ohno 一、电解电容寿命设计 本文主要是通过纹波电流的计算，然后通过电容的热等效模型来计算电容中心点的温度，在得到中心点温度后，也就是得到电容的工作点最高的问题后，通过电容的寿命估算公式来估算电容的设计寿命。 首先，电容等效成电容、电阻（ESR ）和电感（ESL ）的串联。关于此请参考其他资料，接下来演示电容寿命计算步骤： 1 、纹波电流计算 纹波电流计算是得到电容功率损耗的一个重要参数，在设计电容时候，我们必须首先确定下来电流的纹波大小，这和设计规格和具体拓扑结构相关。铝电解电容常被用在整流模块后以平稳电压，我们在选择好具体拓扑结构后，根据规格要求得到最小的电容值： 控制某一纹波电压所需的电容容值为： P: 负载功率（单位W ） 注意：这是应用所需要的最小电容容值。此外，电容容值有误差，在工作寿命期内，容值会逐步降低，随着温度降低，容值也会降低。 必须知道主线及负载侧的纹波电流数据。可以首先计算出电容的充电时间。 f main是电网电流的频率。 电容的放电时间则为： 充电电流的峰值为 dU 是纹波电压（U max – U min） 则充电电流有效值： 接下来计算放电电流峰值和有效值。 最后计算得出：整流模块后纹波电流： 这个有效值只是纹波电流的计算式，在复杂的市电输入的情况下，我们必须考虑各阶谐波的纹波有效值，也就是说要通过各阶谐波的有效值叠加，才是最后得到的电容纹波寿命计算的纹波，也就是需要将电流傅立叶分解。 2 、计算功率损耗 在得到纹波电流后，我们可以计算各阶电流的纹波损耗，然后将各阶纹波求和： 3 、计算电容中心点温度 得到功率损耗后，我们由电容的热等效模型（参考其他资料）计算中心点温度： 最近在网上寻找资料，获益非浅。不能光索取而不奉献，花了一周的时间，牺牲了晚上和周末，得罪了夫人。当然了，整理过程中，自己也有所提高。同时也呼吁大家行动起来，多总结经验形成文字。当然了，年轻人有所保留是可以理解的，毕竟为了减少竞争者；但是有些人说自己是退休者，为啥如此吝啬或障碍重重？ 网络是一个虚拟世界，现实生活已经有如此众多的虚伪，面子，为啥还要将其带入网络中呢？多么希望技术栏目中能恢复人与人间的真诚与无私奉献，体现出知识分子.学者.工程师的风范。当然，许多人不错，但是更多的人让我感觉差劲。我很少上网，也不愿与人争吵，只是提出个人的感受而已。 铝电解电容的寿命 电源产品中经常用到铝电解电容，他的寿命往往决定了整个产品的寿命。因此，了解如何计算铝电解电容的寿命很有必要。下面将我的一些心得整理出来，供大家参考。希望有助于提高国人的知识水平。说白了很简单，只不过很多人找不到相关的资料而已。同时也希望学校的教材中能够近早讲解相关知识。我尽量少翻译，因为我的语言能力及相关的专业术语还不行。仅供参考。 Chapter 1铝电解电容的特性 1.1 Circuit model （等效模型） The following c ircuit models the aluminium electrolytic capacitor’s normal operation as well as the over voltage and reverse voltage behavior. （此模型包含正常运行，过压，反压时的特性） C A C c R P ESR L D = Anode capacitance (阳极电容) = Cathode capacitance(阴极电容) = Parallel resistance, due to dielectric (并联电阻) = Series resistance, as a result of connections, paper, electrolyte, ect. 等效串联电阻= Winding inductance and connections 等效串联电感 = Over and reverse voltage 等效稳压管 The capacitance Ca and Cc are the capacitance of the capacitor and is frequency and temperature depended. （Ca and Cc，它的容量是频率及温度的函数） The resistance ESR is the equivalent series resistance which is frequency and temperature depended. It also increases with the rated voltage. （ESR是频率及温度的函数，随着额定电压的增加而增加） The inductanc e L is the equivalent series inductance, and it’s independent for both frequency and temperature. It increases with terminal spacing. （L是频率及温度的函数） The resistance Rp is the equivalent parallel resistance and accounts for leakage current in the capacitor. It decreases with increasing the capacitance, temperature and voltage and it increases with time. （Rp的大小决定了漏电流的大小，随着容量温度电压的增加而降低，随着使用时间的延长而增加） The zener diode D models the over voltage and reverse voltage behavior. Application of over voltage on the order of 50 V beyond the capacitor’s surge voltage rating causes high。（D模拟过压及加反向电压时特性）Leakage current and a constant voltage-operating mode quite like the reverse conduction of a zenerdiode. Applications of reverse voltage much beyond 1.5 V causes high leakage current quite like the forward conduction of a diode. Neither of these operating modes can be maintained for long because hydrogen gas is produced, and the pressure built up will cause failure. （加到电容两端的反向电压不能大于1.5V） 本文主要是通过纹波电流的计算，然后通过电容的热等效模型来计算电容中心点的温度，在得到中心点温度后，也就是得到电容的工作点最高的问题后，通过电容的寿命估算公式来估算电容的设计寿命。 首先，电容等效成电容、电阻（ ESR ）和电感（ ESL ）的串联。关于此请参考其他资料，接下来演示电容寿命计算步骤： 1 、纹波电流计算，纹波电流计算是得到电容功率损耗的一个重要参数，在设计电容时候，我们必须首先确定下来电流的纹波大小，这和设计规格和具体拓扑结构相关。铝电解电容常被用在整流模块后以平稳电压，我们在选择好具体拓扑结构后，根据规格要求得到最小的电容值： 控制某一纹波电压所需的电容容值为： P: 负载功率（单位 W ） 注意：这是应用所需要的最小电容容值。此外，电容容值有误差，在工作寿命期内，容值会逐步降低，随着温度降低，容值也会降低。 必须知道主线及负载侧的纹波电流数据。可以首先计算出电容的充电时间。 f main是电网电流的频率。 电容的放电时间则为： 充电电流的峰值为 dU 是纹波电压（ U max – U min） 则充电电流有效值： 接下来计算放电电流峰值和有效值。 最后计算得出：整流模块后纹波电流： 这个有效值只是纹波电流的计算式，在复杂的市电输入的情况下，我们必须考虑各阶谐波的纹波有效值，也就是说要通过各阶谐波的有效值叠加，才是最后得到的电容纹波寿命计算的纹波，也就是需要将电流傅立叶分解。 2 、计算功率损耗 在得到纹波电流后，我们可以计算各阶电流的纹波损耗，然后将各阶纹波求和： 3 、计算电容中心点温度 得到功率损耗后，我们由电容的热等效模型（参考其他资料）计算中心点温度： 其中： Th 电容为电容中心点温度 , 为电容最高温度，其值直接影响到电容寿命，是电容寿命计算公式中的重要参数。 Rth 为电容的热阻，其值和风速等有关 ,Ta 表示电容表面温度。 P Loss 为纹波电流的中损耗。 4 、计算电容寿命 得到电解电容中心点最高温度后，我们可以计算电容的寿命，各个电容生产厂商会有不同的电容寿命的计算参数，也有不同的电容寿命修正值，现我们介绍阿列纽斯理论来计算电容寿命，其公式是说，电容工作没下降 10 度，其寿命增加一倍，反过来也就是电容温度升高 10 度，电容寿命减小一倍： 电解电容寿命计算方法 寿命估算(Life Expectancy)：电解电容在最高工作温度下，可持续动作的时间。Lx=Lo*2(To-Ta)/10 Lx=实际工作寿命 Lo=保证寿命 To=最高工作温度(85℃or105℃) Ta= 电容器实际工作周围温度 Example：规范值105℃/1000Hrs 65℃寿命推估：Lx=1000*2(105-65)/10 实际工作寿命：16000Hrs 高温负荷寿命(Load Life)将电解电容器在最高工作温度下，印加额定工作电压，经一持续规定完成时间后，须符合下列变化：Δcap：试验前之值的20%以内tanδ：初期特性规格值的200%以下 LC ：初期特性规格值以下 高温放置寿命(Shelf Life)：将电解电容器在最高工作温度下，经一持续规定完成时间后，须符合下列变化：Δcap: 试验前之值的20%以内 tanδ:初期特性规格值的200%以下 LC:初期特性规格值以下 高温充放电试验(Charge/Discharge Test)将电解电容器在最高工作温度下，印加额定工作电压，经充电30秒后再放电330秒为一cycle，如此经1,000 cycles 后，须符合下列变化：Δcap : 试验前之值的10%以内 tanδ : 初期特性规格值的175%以下 LC : 初期特性规格值以下 纹波负荷试验(Ripple Life)将电解电容器在最高工作温度下，印加直流电压及最大纹波电流（直流电压+最大涟波电压峰值=额定工作电压），经一持续规定完成时间后，须符合下列变化：Δcap : 试验前之值的20%以内 tanδ : 初期特性规格值的200%以下 LC : 初期特性规格值以下 常用电解电容公式 容抗 : XC=1/(2πfC) 【Ω】 感抗 : XL=2πfL 【Ω】 阻抗: Z=√ESR2+(XL-XC)2 【Ω】 纹波电流: IR=√(βA△T/ESR) 【mArms】 功率 : P=I2ESR 【W】 谐振频率 : fo=1/(2π√LC) 【Hz】 铝电解电容寿命的简单推算 1) 不含有纹波电流工作状态的铝电解电容器的推算。 基本依据为“10℃法则”，即环境温度每上升10℃寿命减半，反之亦然。 这个10℃法则只在零纹波电流条件下适用，在铝点解电容流过比较大的纹波电流时不一定适用。 2） 公式推算。在额定电压下，铝电解电容器的寿命可以由下式计算： )10 ( 200T T L L -?= 式中，L 和0L 分别为实际环境温度T 时的寿命和额定最高温度0T 时的寿命。 上面的推算方法仅适用于存储状态和无纹波电流（很小纹波电流）的工作状态，对于明显含有纹波电流的场合上述方法不一定适用，这时候应该将纹波电流的效应考虑在应用条件中。 铝电解电容寿命估算 环境因子 包括环境温度，应用电压，纹波电流 voltage tem p K K Lr Lx ??= Lx 估算的寿命 Lr 寿命基数 temp K 温度系数 voltage K 电压系数 环境温度系数 铝电解电容器是一种电化学元件，化学反应速度遵循Arrhenius 方程 10)(0002r T T tem p L K L Lr -?=?= 10)(02r T T tem p K -= Lr 估算寿命 0L 寿命基数 0T 最高额定温度 r T 实际环境温度 电压系数 voltage K =1 纹波电流的影响 DC AC W W W += D C D C e AC I V R I W ?+?=2 W 内部功率损耗 AC W 电源纹波电流造成的功率损耗 DC W 直流电源造成的功率损耗 AC I 纹波电流 e R 纹波频率下的ESR DC V DC 电压 DC I 漏电流 如果DC 电压在额定电压下，漏电流远远小于纹波电流，纹波功率损耗远大于直流功率损耗。 功率损耗计算公式： e AC A R I W W ?==2 电容温度提到到一定程度，内部产生的热量与热辐射平衡。平衡的温度计算公式。 T A R I e AC ???=?β2 所以A R I T e AC ??=?β2 =β热辐射常数W ?3-10℃2 cm =A 表面面积)(2Cm 、 对L D ?ψ电容 )4()4/(L D D A +=π T ?由于纹波电流导致的核心温度上升 Load life If the capacitor`s max.operating temperature is at 105℃(85℃),then after applying capacitor`s rated voltage (WV) for Lo hours at 105℃(85℃),the capacitor shall meet the requirements in detail specification. where L0 is called ”load life” or “useful life (lifetime) at 105℃(85℃)”. L x=L0x2(To-Tx)/10x2—△Tx/5where △T x=△T0x(I x/I0)2 Ripple life: If the capacitor`s max .operating temperature is at 105℃(85℃),then after applying capacitor`s rated voltage (WV) with the ripple current for Lr hours at 105℃(85℃),the capacitor shall meet the requirements in detail specification . where Lr is called ”ripple life” or ”useful ripple life (ripple lifetime) at105℃(85℃) ”. Lx= L r x2(To-Tx)/10x2(△To-△Tx)/5where △T x=△T0x(Ix/I0)2 The (ripple) life expectancy at a lower temperature than the specified maximum temperature may be estimated by the following equation , but this expectancy formula does not apply for ambient below+40℃. L0 = Expected life period (hrs) at maximum operating temperature allowed Lr = Expected ripple life period (hrs) at maximum operating temperature allowed Lx = Expected life period (hrs) at actual operating temperature T0 = Maximum operating temperature (℃) allowed Tx = Actual operating ambient temperature(℃) Ix = Actual applied ripple current (mArms) at operating frequency fo (Hz) I0 = Rated maximum permissible ripple current IR (mArms) x frequency multiplier (C f) at f0 (Hz) △T0≦5℃= Maximum temperature rise (℃) for applying Io (mArms) △Tc = Temperature rise (℃) of capacitor case for applying Ix (mA/rms) △T x = Temperature rise (℃) of capacitor element for applying Ix (mArms) = K c△T c= K c(T c-T x) where T c is the surface temperature (℃) of capacitor case Tx is ditto. K c is transfer coefficient between element and case of capacitor From table below: Dia ≦8Φ10Φ12.5Φ13Φ16Φ18Φ22Φ25Φ30Φ35Φ Kc 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.50 1.65 铝电解电容器的寿命 使用条件对于铝电解电容器的寿命有很大的影响。使用条件可分为环境条件和电条件。 环境条件有温度、湿度、气压、震动等，其中温度对于寿命的影响是最大的。 电条件有电压、纹波电流、充放电条件等。 一．周围温度和寿命 周围温度对寿命的影响体现在电容量的减少、损耗角正切值的增大，这些现象起因是电解液从封口部分向外部渐渐扩散。电性能的时间变化和周围温度之间的关系可得出下列公式。 L x=L o*B To-Tx/10 Lo：在最高使用温度下，额定施加电压和额定纹波电流 重叠时的保证寿命（hours） Lx：实际使用时的预计寿命（hours） To：产品的最高使用温度（℃） Tx：实际使用时的周围温度（℃） B：温度加速系数 在此温度加速系数B若在最高使用温度以下的话，B=2进行计算，10 ℃的升温即等于约两倍的加速率。电解电容应用时，须考虑环境散热方式、散热强度、电容与热源的距离、电容的安装方式。 二．施加电压和寿命 用于绝大多数的机器中的贴片式（SMD）、引线式（radial）、基板自立式（snap-in）之电容器，使用条件在最高使用温度和额定电压值以下的情况时，施加的电压所产生的影响与周围温度的加速和纹波电流的加速所产生的影响相比可以忽略不计。 另，用于高功率电子仪器的螺丝端子式（screw）电容器中350VDC以上的高压品占主流， 由于作为铝电解电容器导电体的氧化膜(Al 2O 3 )的性质，额定电压以下的施加电压值的大小将 影响其寿命。 三．纹波电流重叠时的寿命 由于铝电解电容器和其他的电容器相比损耗较大，因而纹波电流会导致内部发热。纹波电流产生的热又会使温度上升，所以对于产品寿命有很大影响。这样一来，需事先根据不同产品设定最大允许纹波电流值。外加纹波电流的发热度可由下面的计算式得出。 W=I r2* ESR +V*I L W：内部的消耗电力 I r：纹波电流 ESR：内部电阻（等效串联电阻） V：外加电压 I L：漏电流 在最高使用温度下，漏电流增加到20℃时的5~10倍，但仍然I r≥I L，则W= I r2〃ESR。要求出内部发热和放热达到平衡的条件，则铝电解电容的寿命
铝电解电容寿命计算公式
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铝电容器 推定寿命计算式
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寿命计算式 目录
? 寿命计算式
A) DC加载保证品 B) 纹波电流加载保证品 C) 螺丝端子型(额定电压350V以上) 螺丝端子型(额定电压 以上) D) 导电性高分子电容器
? 温度测定方法
A) 周围温度测定方法 B) 单元中心发热温度测定方法 1) 单元中心温度测定 2) 周围温度/电容器表面温度测定 3) 纹波电流测定 >>> 发热温度计算
注意事项
纹波电流频率修正系数与温度修正系数使用方法
CONFIDENTIAL(秘密的)
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推定寿命计算式
A) DC加载保证品 ) 加载保 品
Lx L = Lo × 2
Tx ? To 10
×2
? ?T 5
Lx (hrs):推定寿命 Lo (hrs):保证寿命 Tx (℃):最大可能周围温度 To (℃):实际使用周围温度 ( ) 纹波电流发热温度 ⊿T (℃):纹波电流发热温度 <应用系列> 贴片型:全般 引钱型:SRM/SRE/KRE/SRA/KMA/SRG/KRG/SMQ/SMG/ 引钱型 SRM/SRE/KRE/SRA/KMA/SRG/KRG/SMQ/SMG/ SME-BP/KME-BP/LLA
CONFIDENTIAL(秘密的)
3电解电容纹波及寿命测试方法
电解电容寿命计算
电解电容寿命分析
铝电解电容器寿命与温度之间的关系
MTBF寿命计算公式
NCC铝电解电容器寿命计算方法
电解电容寿命设计
铝电解电容寿命计算
纹波电容计算
电解电容寿命计算方法
铝电解电容可靠性--寿命估算
电解电容寿命的计算方法
铝电解电容的寿命计算