影响电解电容寿命的因素有哪些？

如果你和一群设计工程师交谈，你可能会很快相信电解电容器有一种特别可疑的声誉。这种看法当然没有得到所谓的“电容器瘟疫”帮助，该瘟疫发生在新千年的最初几年。这些类型的电容器中使用的有缺陷的电解液混合物导致了设备的过早失败，而且很多时候，给它们被焊接的PCB造成了“一团糟”。由于使用某些品牌“受瘟疫影响”的电容器的商品性质高调，这成了大新闻。如果你想了解更多详情，请查看这个维基百科链接。

然而，尽管电容器瘟疫的问题（维基百科报告说是由于一次失败的工业间谍活动尝试，导致使用了错误的电解液配方）存在，本文旨在帮助设计师理解如何从电解电容器中获得更多年的有效使用寿命。我们不会深入比较各种组件的电解电容器寿命值。底线是，一分钱一分货，不管你喜不喜欢，电解电容器在许多设计中都是必需的。

什么导致电解电容器失败？

导致电解电容器退化和失败的主要机制是随时间缓慢蒸发的电解液，当然，高温下这个问题会更严重。这导致电容量降低和有效串联电阻（ESR）增高。这是一个恶性循环，因为随着ESR的升高，由于纹波电流产生的任何自我加热效应也会增加。这可能导致显著的局部温度升高，进一步加速问题。过去，这促使一些公司实施计划性维护规则，特别是在系统用于关键应用时，每隔几年就用合适的替代组件更换电解电容器。

电容器规格

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。我们将使用TDK（之前的EPCOS）数据表作为如何解释这些信息的例子。这个数据表是针对B41888电容器的，这是我在预期寿命较长的相当关键的产品中使用过的一个。数据表摘要如下：

我已经用红色标出了相关区域。它告诉你一个直径为8毫米的电容器可以提供5000小时的有效寿命。这只相当于208天的寿命，乍一看，这是一个非常低的值。然而，这个数字是基于105°C的工作温度。如果工作温度低10°C，在95°C时，寿命将翻倍。每下降10°C，寿命就会翻倍。所以，如果某个特定电路中的电容器的运行环境温度保持在55°C以下，你可以使用以下公式来计算实际寿命：

实际有效寿命 = [在105°C下的寿命] ∙2x 

其中“x”是(105°C - T_ACTUAL)除以10。在55°C的温度下，“x”= 5，因此有用的寿命从105°C下的5000小时延长到55°C下的32 x 5000小时。那现在是18年，实用得多。

电容器的“有效寿命”是什么意思？

关于上述数据表，右手边的高亮列告诉你，电容量可能会从其原始值降低到可能低至40%的值，这是在组件的有效寿命内。因此，如果你为你的设计选择了一个1000μF的电容器，基于数据表中指定的设备20%的公差，你可以期望其最低初始值为800μF。因此，在其“有效寿命”结束时，最坏的情况是它可能已经降到了这800μF初始值的60%，即仅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寿命末期性能。作为设计师，考虑这种退化因素至关重要。

耗散因子

对于B41888设备，数据表告诉我们“tan”可能在寿命期间增加三倍。Tan是耗散因子或ESR与电容性反应的比率，不应与损耗正切混淆。作为参考，它也是Q因数的倒数。对于额定电压为35伏的B41888设备，tan在120 Hz时列为0.12。1000μF的电容器在120 Hz时的反应为1.326Ω，这意味着ESR为0.159Ω。

这是对于正好1000μF的电容器的数据，但我们已经看到，对于处于初始公差范围低端的电容器（即800μF），ESR可能高达0.199Ω。在其寿命末期，我们已经看到电容量可能只有480μF，因此可以推断ESR可能上升到0.332Ω。最后，因为tan可以在寿命期间退化三倍，ESR可能最终增加到0.995Ω。

你的设计开始时使用的是名义上1000μF（ESR为0.159Ω）的电容器，现在你可能最终得到的是480μF且ESR约为1Ω的电容器。你的设计能够应对这种情况吗？这将如何影响性能？提示 - 在这种情况下，仿真工具是你的盟友；使用它们来看看效果。

影响电解电容寿命的其他因素

纹波电流

B41888的寿命数据假设其在满纹波电流下操作。然而，你也会在数据手册中找到这个适用于直径为8毫米的电容器的有用图表：

如果你选择在额定纹波电流的50%（Y轴上的0.5）下操作，这相当于在比局部环境温度低3°C的条件下运行。这意味着有23%的潜在寿命增加，有时，每一点额外的增加都很重要。如果你需要在纹波电流上进行突破，你也可以从这张图表中获取所需的信息。例如，如果你在65°C下将组件运行在名义额定纹波电流的150%，你仍然可以获得100,000小时的有效寿命，就像在71°C下以半额定纹波电流操作时一样。重要的是要注意，图表中的加深部分是一个禁区，如果你不想损坏组件的话。

电容器工作电压

当工作电压低于最大额定电压时，你可以获得相当不错的寿命增加。最保守的估计是，当组件以额定电压的50%运行时，寿命会翻倍。当然，随着工作电压接近最大额定电压，增加的比例会相应减小。我见过不那么保守的估计，但在缺乏制造商信息中的任何数据表明其他情况的情况下，我建议你坚持这种线性关系，不要期望寿命增加超过翻倍。

阅读数据手册

数据手册中有很多方便的信息。例如，对于我们这里关注的B41888电容器，数据手册摘录表明，虽然直径为8毫米的设备寿命为5,000小时，但直径为12.5毫米（或更大）的设备寿命是其两倍，为10,000小时。如果你的目标电容值允许选择直径，并且你的板上有空间，选择更大的部件以提高寿命将是有益的。例如，如果你选择了一个100μF、35伏的组件，并打算在30伏下运行，那么选择额定电压为63伏的部件将会带来良好的寿命益处。

35伏的部件直径为8毫米，而63伏的部件为10毫米。然而，10毫米的部件寿命为7,000小时，仅通过以额定电压的48%运行就可以增加到14,000小时。8毫米的部件寿命为5,000小时，如果在30伏下操作，寿命只会增加到5,833小时。因此，相对较小的2毫米直径增加可以带来显著的寿命增加。

另一个需要考虑的是纹波频率与电流额定值之间的关系。例如，如果您的设计需要一个1000 μF、35伏的元件，数据表将告诉您它在105°C时的额定纹波电流为2.459安培，但这是在指定的100 kHz下。因此，如果应用程序以较低的频率运行，您必须使用下面的图表来确定效果：

在低频率下，例如120 Hz，额定纹波电流仅为100 kHz时值的65%。这意味着，对于120 Hz应用中的正确寿命评估，您受限于更有限的额定纹波电流，仅为1.598安培。

电容器故障率

不要将电解电容器性能随预期寿命逐渐降低误认为与故障率或MTBF有关。任何电子元件的突然和意外故障与元件可能的“老化”不同。当然，如果您设计的电路因电解电容器的老化而停止工作，从用户的角度来看，那是一次设备故障。然而，设计师的失败不在于识别元件性能随时间自然降低。换句话说，这是一次设计失败，而不是元件故障。

电解电容器的MTBF以百万小时计。尽管这可能会因其储存的能量量和其环境工作温度而降低，但与元件的实际可用寿命相比，这仍然相去甚远。

为什么要使用电解电容器？

如果电解电容器有这样的问题，为什么它们还如此广泛使用？有几个原因，但主要是因为它们能够提供电源设计通常需要的高电压额定值和高电容量。由于电解质中的化学成分，没有其他元件类型能提供相同的高电容量和高电压组合。使用其他元件，要么部件变得物理上非常巨大，要么需要并联大量部件。

在过去的一个项目中，我需要使用20个并联的电解电容器（3,300 μF，35伏）在最近的设计中创建一个重要的能量存储设备。我之所以提及这一点，是因为它将帮助您理解寿命和MTBF之间的区别。电路接收到低mA的充电电流，但受到以安培计的间歇性负载电流脉冲的影响。

就整个存储设备的寿命而言，我完全预期并联组件会随时间同等降解。换句话说，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），单个设备的值需要除以20，因为这些组件是并联的，任何一个组件的短路都可能导致设备的故障。

在哪里找到可靠的电容器零件

我们在本文开头提到的电容器瘟疫问题被视为“适当的故障”（即，与故障率相关）并不等同于组件在其寿命期内的磨损。你的浴室里滴水的水龙头算是一个故障吗？答案显然是“不”，这通常只是正常的磨损，这是意料之中的。

当你需要寻找具有长电解电容寿命的超可靠零件时，请使用Altium Designer®中的制造商零件搜索面板。你也可以使用Altium 365™平台来查找在生产中的零件、管理你的设计数据，并将文件发布给你的制造商。我们只是简单介绍了使用Altium Designer在Altium 365上可能做到的事情。你可以查看产品页面以获取更深入的功能描述或观看其中一个按需网络研讨会。