电解电容器决定电源的使用寿命

　　电解电容器是AC-DC电源的重要组成部分。它们在小批量封装中提供高电容 x 电压 (CV) 和低等效串联电阻 (ESR)。没有任何替代部件可以经济高效地完成这项工作。

　　确定电源的使用寿命

　　这些电解电容器的使用寿命是电源中越来越重要的设计参数。功率密度需求不断增加，电解电容器是电源中唯一会磨损的组件。因此，设计中使用的电解电容类型决定了电源的使用寿命。它还规定了维护设备中最终应用的使用寿命或服务间隔。

　　拓扑结构和应用的纹波电流、设计布局、电容器设计寿命、电容器额定温度和局部加热效应因产品而异。它们也可能在低线和高线输入条件下发生变化。

　　外部加热效应可能超过内部加热效应，尤其是在当今日益紧凑的设计中。实际使用寿命还取决于在应用中安装电源时可能发生的温升。终端设备的任务概况是另一个因素，它定义了设备生命周期内的平均工作温度和每天的使用时间。

　　电解电容器设计人员在定义其产品的使用寿命时会考虑所有这些因素。让我们来看看他们使用的计算。

　　额定温度下的设计寿命

　　电解电容器制造商指定了最高额定环境温度下的设计寿命，通常为 105°C。这种设计寿命可以从 1,000 小时到 10,000 小时或更长不等。设计寿命越长，组件在给定应用和环境温度下的使用寿命就越长。

　　制造商提供计算以确定应用中的使用寿命。这些是基于反应速率的温度相关性的阿伦尼乌斯方程。这决定了温度每升高 10°C，反应速率就会加倍。这意味着温度每降低 10°C，寿命就会增加一倍，因此在 105°C 下额定为 5,000 小时的电容器在 95°C 下的使用寿命为 10,000 小时，在 85°C 下为 20,000 小时。

　　基本方程如下。该曲线绘制了使用寿命与环境温度的关系。

　　施加的纹波电流和工作频率

　　除了环境温度和局部加热效应外，施加的纹波电流还会进一步加热电容器芯。电源输入和输出级上的开关和整流过程会产生纹波电流。这些会导致电解电容器内的功率耗散。

　　这些纹波电流的幅度和频率取决于设计为有源功率因数校正 (PFC) 中使用的拓扑。它们还取决于主转换器功率级，两者都因设计而异。电容器内的功耗由施加频率下的 RMS 纹波电流和电容器 ESR 决定。

　　元件核心处的温升与功耗、元件封装的辐射系数以及从核心到外壳的温差系数或斜率有关。这些值由组件制造商确定。

　　可施加到电容器的最大纹波电流通常在最高环境温度和 100/120 Hz 下指定。根据实际使用中的环境温度和施加的纹波电流的频率，可以应用倍增因子：ESR随着频率的增加而降低。

　　冷却系统的优势

　　如果部署得当，带有自己的冷却风扇的封闭式电源不太容易受到最终应用环境的影响。环境温度必须保持在规格范围内，并且必须有足够的冷却空间。

　　下表显示了在不同温度下设计寿命为 2,000 和 5,000 小时的电容器的估计使用寿命。在将服务时间转换为服务年数时，它假设 24/7 全天候运行。任务强度较低的设备（例如每天 8 到 10 小时，每周运行 5 天）的使用寿命将显着延长。

　　其他变量可能会影响电源应用的寿命

　　电源制造商应用设计降额规则来确保产品寿命足够长。

　　但是，一旦将电源安装在终端设备中，这些规则就没有考虑到任务轮廓、环境、安装方向、定位、周围空间、应用负载和系统冷却或通风安排。

　　电容器寿命，特别是在对流或自然冷却环境中，应根据具体安装进一步评估。测量施加的纹波电流是不切实际的，但测量有效工作温度将给出使用寿命的合理指示。操作员可以测量外壳温度，并将 Arrhenius 方程和任务曲线应用于组件制造商指定的基本寿命。

　　许多电源数据表，GCS 系列的数据表，确定了决定产品使用寿命的关键组件。这包括需要终端设备提供外部冷却的设备以及为对流冷却应用而设计的设备。此信息连同有关应用程序运行环境的数据，可帮助系统设计人员在最终应用程序中更准确地确定电源的使用寿命。

　　总结：要准确预测电源的使用寿命，重要的是在您的特定应用中使用制造商提供的测量点和数据对其进行评估，并根据平均温度和每天的使用情况应用终端设备的任务配置文件。