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電容應(yīng)用實(shí)踐:從設(shè)計(jì)選型到壽命分析

發(fā)布時(shí)間:2017-04-20 責(zé)任編輯:susan


【導(dǎo)讀】開關(guān)電源的壽命很大程度受到電解電容的制約,而電解電容的壽命取決于其內(nèi)核溫升。本文從紋波電流計(jì)算、紋波電流實(shí)測(cè)、電解電容選型、溫度測(cè)試方法、壽命估算等方面,對(duì)電解電容作了全面的分析。


 
紋波電流產(chǎn)生的熱量引起電容的內(nèi)部溫升,加速電解液的蒸發(fā),當(dāng)容值下降20%或損耗角增大為初始值的2~3倍時(shí),預(yù)示著電解電容壽命的終結(jié)。通過(guò)檢查電容器上的紋波電流,可預(yù)測(cè)電容器的壽命。本文以連續(xù)工作模式的反激變換器輸出電容分析為例,重點(diǎn)從紋波電流角度全面分析電解電容的選型與壽命。
 
1、紋波電流計(jì)算
 
假設(shè)已知連續(xù)工作模式的反激變換器,其輸出電流Io為1.25A,紋波率r為1.1,占空比D為0.62,開關(guān)頻率為60kHz,由此可以計(jì)算次級(jí)紋波電流ΔIo和有效值電流Io.rms。
 
次級(jí)紋波電流ΔIo:
 
 
有效值電流Io.rms:
 
 
最終得到流過(guò)輸出電容的紋波電流:
 
 
圖1直觀的顯示了該電容的紋波電流波形:
 
圖1.紋波電流波形
 
2、電解電容選型
 
由上述計(jì)算分析得到流過(guò)電容的紋波電流為1.72A,綜合考慮體積和成本,選擇了紋波電流為1.655A的電解電容。
 
該紋波電流需在電源開關(guān)頻率下選擇,如下圖某廠家電容手冊(cè)的紋波電流有頻率因子,不同頻率下的紋波電流不同。高頻低阻電容均會(huì)給出100kHz下的紋波電流,本設(shè)計(jì)開關(guān)頻率為60kHz,頻率因子為0.96~1之間,在此取1即可。
 
圖2.電容紋波電流頻率因子
 
注:紋波電流還有一個(gè)溫度系數(shù),例如105℃電容,在85℃環(huán)境溫度下,允許的最大紋波電流約為額定最大紋波電流的1.73倍,該參數(shù)一般不在電容手冊(cè)中體現(xiàn)。
 
3、紋波電流實(shí)測(cè)
 
測(cè)試電解電容紋波電流時(shí),需將電容引腳穿入電流探頭中,通過(guò)示波器可讀得交流有效值。本設(shè)計(jì)實(shí)例的紋波電流測(cè)試結(jié)果如圖3所示,示波器讀得有效紋波電流為1.64A,與理論設(shè)計(jì)接近。因此理論計(jì)算具有較大的工程指導(dǎo)意義。
 
圖3.實(shí)測(cè)電容紋波電流
 
4、溫度測(cè)試方法
 
測(cè)量容體表面溫度Ts:需在電容器側(cè)面的中間位置進(jìn)行,如果由于外部影響導(dǎo)致電容器表面溫度不均勻、不穩(wěn)定,需綜合測(cè)量電容器表面4個(gè)點(diǎn)的溫度,再取平均值。
 
測(cè)量環(huán)境溫度Tx:熱電偶需放置在離鋁殼表面20毫米左右處,如果空間不足,則保持最小10毫米距離,如果由于外部影響導(dǎo)致附近環(huán)境溫度不均勻、不穩(wěn)定,則需綜合測(cè)量4個(gè)點(diǎn)以上的溫度,再取平均值。
 
圖4.環(huán)境溫度與表面溫度測(cè)量
 
5、電解電容壽命估算
 
本設(shè)計(jì),選擇的電解電容為-40~105℃、5000小時(shí)、1.655A紋波電流的高頻低阻電解電容,最高實(shí)測(cè)環(huán)境溫度Tx為80℃,殼體表面溫度Ts為85℃。則其壽命估算如下步驟如下。
 
(1)估算實(shí)際內(nèi)核溫升:
 
 
其中:
 
△To為To時(shí)允許的內(nèi)核溫升,即額定紋波電流時(shí)的電容器芯子溫升,此次選擇的105℃電容△To為5℃,可查原廠或行業(yè)資料得到;
 
△Tx為實(shí)際內(nèi)核溫升;
 
Ix為實(shí)際紋波電流1.64A;
 
Io為額定紋波電流1.655A。
 
(2)估算電容壽命:
 
 
其中:
 
Lo為額定壽命5000小時(shí);
 
To為最高額定工作環(huán)境溫度105℃;
 
Tx為實(shí)際環(huán)境溫度80℃。
 
當(dāng)由于環(huán)境因素影響,Tx不易獲得時(shí),可用Ts替代,這可以進(jìn)一步提供安全余量保證產(chǎn)品售壽命。

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