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作者：NIPPON CHEMI-CON 發(fā)布時(shí)間：2021-04-15 08:26:51 訪問(wèn)量：16698 來(lái)源：NCC黑金剛
容量，耐壓，溫度范圍，元件封裝形式與尺寸
紋波電流、紋波電壓
漏電流、ESR、散逸因數(shù)、阻抗/頻率特性
電容壽命
實(shí)際需要、性能和成本等綜合考量
電子元件技術(shù)網(wǎng)通過(guò)調(diào)查工程師在鋁電解選型和應(yīng)用中碰到的問(wèn)題提出，要關(guān)注耐壓、容量、溫度和尺寸幾個(gè)參數(shù)，也要注意鋁電解電容對(duì)整個(gè)電路的穩(wěn)定性問(wèn)題。
鋁電解電容是以經(jīng)過(guò)蝕刻的高純度鋁箔作為陽(yáng)極，以浸有電解液的薄紙或布做陰極構(gòu)成的極性電容器。
優(yōu)點(diǎn)：容量大、耐壓高 、價(jià)格便宜
缺點(diǎn)：漏電流大 、誤差大 、穩(wěn)定性差 、壽命隨溫度的升高下降很快
數(shù)字電路中使用的鋁質(zhì)電解電容一般用于電源平滑濾波，除容量、耐壓、容量誤差、工作溫度、封裝尺寸等熟知的參數(shù)外，還有兒個(gè)有關(guān)電容器品質(zhì)的重要參數(shù)，包括損耗角正切、漏電流、等效串聯(lián)電阻ESR、允許的紋波電流、使用壽命等。這些參數(shù)不標(biāo)在成品封裝外皮上，只在產(chǎn)品規(guī)格書(shū)中體現(xiàn)的，但這些參數(shù)有可能是關(guān)系電路性能的關(guān)鍵。
鋁電解電容本體上標(biāo)有的容量和耐壓，這兩個(gè)參數(shù)是很重要，是選用電容最基本的內(nèi)容。
在實(shí)際電容選型中，對(duì)電流變化節(jié)奏快的地方要用容量較大的電容，但并非容量越大越好，首先，容量增大，成本和體積可能會(huì)上升，另外，電容越大充電電流就越大，充電時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)。這些都是實(shí)際應(yīng)用選型中要考慮的。
額定工作電壓：在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，電容長(zhǎng)期可靠地工作，它能承受的最大直流電壓。在交流電路中，要注意所加的交流電壓最大值不能超過(guò)電容的直流工作電壓值。常用的固定電容工作電壓有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、2500V、400V、500V、630V。電容在電路中實(shí)際要承受的電壓不能超過(guò)它的耐壓值。
在濾波電路中，電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。另外還要注意的一個(gè)問(wèn)題是工作電壓裕量的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)要在15%以上。例如某電容的額定電壓是50V，雖然涌浪電壓可能高至63V，但一般最高只會(huì)施加42V電壓。
讓電容器的額定電壓具有較多的余裕，能降低內(nèi)阻、降低漏電流、降低損失角、增加壽命。雖然說(shuō)， 48V的工作電壓使用50V的鋁電解電容短時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但使用久了，壽命就有可能降低。
電容器在電場(chǎng)作用下消耗的能量，通常用損耗功率和電容器的無(wú)功功率之比，即損耗角的正切值表示(在電容器的等效電路中，串聯(lián)等效電阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ，這里的 ESR 是在 120Hz 下計(jì)算獲得的值。顯然，Tan δ隨著測(cè)量頻率的增加而變大，隨測(cè)量溫度的下降而增大)。損耗角越大，電容器的損耗越大，損耗角大的電容不適于高頻情況下工作。散逸因數(shù)dissipationfactor(DF)存在於所有電容器中，有時(shí)DF值會(huì)以損失角tanδ表示。此參數(shù)愈低愈好。但鋁電解電容此參數(shù)比較高。
DF值是高還是低，就同一品牌、同一系列的電容器來(lái)說(shuō)，與溫度、容量、電壓、頻率……都有關(guān)系;當(dāng)容量相同時(shí)，耐壓愈高的DF值就愈低。此外溫度愈高DF值愈高，頻率愈高DF值也會(huì)愈高。
外型尺寸與重量及接腳型態(tài)相關(guān)。single ended是徑向引線式，screw是鎖螺絲式，另外還有貼片鋁電解電容等。至於重量，同容量同耐壓，但品牌不同的兩個(gè)電容做比較，重量一定不同;而外型尺寸更與外殼規(guī)劃有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，直徑相同、容量相同的電容，高度低的可以代用高度大的電容，但是長(zhǎng)度高的替代低的電容時(shí)就要考慮機(jī)構(gòu)干涉問(wèn)題。
一只電容器會(huì)因其構(gòu)造而產(chǎn)生各種阻抗、感抗。ESR等效串聯(lián)電阻及ESL等效串聯(lián)電感是一對(duì)重要參數(shù)─這就是容抗的基礎(chǔ)。一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)很小的電容相對(duì)較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值(紋波)電流。用 ESR 大的電容并聯(lián)更具成本效益。然而,這需要在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。
在有的資料中稱作漣波電流和漣波電壓，其實(shí)就是 ripple current，ripple voltage。含義就是電容器所能耐受紋波電流/電壓值。紋波電壓等于紋波電流與ESR的乘積。
當(dāng)紋波電流增大的時(shí)候，即使在 ESR 保持不變的情況下，紋波電壓也會(huì)成倍提高。換言之，當(dāng)紋波電壓增大時(shí)，紋波電流也隨之增大，這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后，由于電容內(nèi)部的等效串連電阻(ESR)引起發(fā)熱，從而影響到電容器的使用壽命。一般的，紋波電流與頻率成正比，因此低頻時(shí)紋波電流也比較低。
額定紋波電流是在最高工作溫度條件下定義的數(shù)值。而實(shí)際應(yīng)用中電容的紋波承受度還跟其使用環(huán)境溫度及電容自身溫度等級(jí)有關(guān)。規(guī)格書(shū)目通常會(huì)提供一個(gè)在特定溫度條件下各溫度等級(jí)電容所能夠承受的最大紋波電流。甚至提供一個(gè)詳細(xì)圖表以幫助使用者迅速查找到在一定環(huán)境溫度條件下要達(dá)到某期望使用壽命所允許的電容紋波量。
電容器的介質(zhì)對(duì)直流電流具有很大的阻礙作用。然而，由于鋁氧化膜介質(zhì)上浸有電解液，在施加電壓時(shí)，重新形成的以及修復(fù)氧化膜的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種很小的稱之為漏電流的電流。通常，漏電流會(huì)隨著溫度和電壓的升高而增大。它的計(jì)算公式大致是:I=K×CV。漏電流I的單位是μA，K是常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，電容器容量愈高，漏電流就愈大。從公式可得知額定電壓愈高，漏電流也愈大，因此降低工作電壓亦可降低漏電流。
首先要明確一點(diǎn)，鋁電解電容一定會(huì)壞，只是時(shí)間問(wèn)題。影響電容壽命的原因有很多，過(guò)電壓，逆電壓，高溫，急速充放電等等，正常使用的情況下，最大的影響就是溫度，因?yàn)闇囟仍礁唠娊庖旱膿]發(fā)損耗越快。需要注意的是這里的溫度不是指環(huán)境或表面溫度，是指鋁箔工作溫度。廠商通常會(huì)將電容壽命和測(cè)試溫度標(biāo)注在電容本體。
因電容的工作溫度每增高10℃壽命減半，所以不要以為2000小時(shí)壽命的鋁電解電容就比1000小時(shí)的好，要注意確認(rèn)壽命的測(cè)試溫度。每個(gè)廠商都有溫度和壽命的計(jì)算公式，在設(shè)計(jì)電容時(shí)要參照實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。需要了解的是要提高鋁電解電容的壽命，第一要降低工作溫度，在PCB上遠(yuǎn)離熱源，第二考慮使用最高工作溫度高的電容，當(dāng)然價(jià)格也會(huì)高一些。
在特定的頻率下，阻礙交流電流通過(guò)的電阻即為所謂的阻抗。它與電容等效電路中的電容值、電感值密切相關(guān)，且與 ESR 也有關(guān)系。電容的容抗在低頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加逐步減小，頻率繼續(xù)增加達(dá)到中頻范圍時(shí)電抗降至ESR的值。當(dāng)頻率達(dá)到高頻范圍時(shí)感抗變?yōu)橹鲗?dǎo)，所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。
開(kāi)關(guān)電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)十kHz，甚至是數(shù)十MHz，這時(shí)電容量并不是其主要指標(biāo)，衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是“阻抗-頻率”特性，要求在開(kāi)關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗，同時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰信號(hào)具有良好的濾波作用。
總結(jié)
從表面上來(lái)看DF、漏電流、ESR愈低，紋波電流愈高，鋁電解電容性能越好，但是性能提高的代價(jià)是體型的肥大和價(jià)格的提高。因此，鋁電解電容的選擇必須慎重，既要兼顧性能要求，又要考慮封裝尺寸，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要針對(duì)系統(tǒng)要求，仔細(xì)查閱相關(guān)的產(chǎn)品手冊(cè)，認(rèn)真確定適宜的型號(hào)，并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。
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