作為電子產品的重要部件電解電容，在開關電源中起著不可或缺的作用，它的使用壽命和工作狀況與開關電源的壽命息息相關。在大量的生產實踐與理論探討中，當開關電源中電容發生損壞，特別是電解電容冒頂，電解液外溢時，電源廠家懷疑電容質量有問題，而電容廠家說電源設計不當，雙方爭執不下。以下就電解電容的使用壽命和使用安全作些分析,給電子工程師提供一些判斷依據。

 1 阿列紐斯(Arrhenius)

  1.1 阿列紐斯方程

阿列紐斯方程是用來描述化學物質反應速率隨溫度變化關系的經驗公式。電解電容內部是由金屬鋁等和電解液等化學物質組成的,所以電解電容的壽命與阿列紐斯方程密切相關。

阿列紐斯方程公式： k=Ae－Ea/RT 或lnk=lnA—Ea／RT (作圖法)

●K 化學反應速率

●R 為摩爾氣體常量

●T 為熱力學溫度

●Ea 為表觀活化能

●A 為頻率因子

1.2 阿列紐斯結論

根據阿列紐斯方程可知,溫度升高，化學反應速率（壽命消耗）增大，一般來說，環境溫度每升高10℃，化學反應速率(K 值) 將增大2-10 倍，即電容工作溫度每升高10℃，電容壽命減小一倍,電容工作溫度每下降10℃，其壽命增加一倍，所以,環境溫度是影響電解電容壽命的重要因素。

 

2 電解電容使用壽命分析

1)公式:

 

根據阿列紐斯方程結論可知，電解電容使用壽命計算公式如下：

●L 環境溫度為T 時電解電容使用壽命（hour）

●L0 最大溫度時電解電容的額定壽命(hour)

●T0 電解電容額定最高使用溫度（deg℃）

●T 環境溫度（deg℃）

●T0-T 溫升（deg℃）

2)分析:

根據公式(1)可知

當電解電容工作溫度在最高使用溫度工作時(即T0=T)時,由公式(1)計算得到電解電容最小使用壽命為L=L₀×2⁰=L₀即等于額定壽命,比如 8000小時，8000/8760=0.9年。

當電解電容工作溫度低于最高使用溫度10℃時,由公式(1)計算得到電解電容使用壽命為L=L₀×2^{[T0-(T0-10℃）]/10℃}=L₀×2¹即等于額定壽命的2倍,即16000小時,16000/8760=1.8264年。

可見,電解電容使用壽命計算公式符合阿列紐斯方程結論

 

3 電解電容使用壽命計算

在電子產品中，影響電解電容壽命的因素有環境溫度T 和紋波電流I_rms。

電容承擔的負載功率與紋波電流成正比，負載越大，紋波電流越大(電解充放電越深)，內部氧化膜分解時發熱越厲害，修補時電解液消耗越多。見圖1

 

紋波電流越大引起的發熱越大，所以紋波電流引起的發熱在電解電容壽命計算中要考慮。

3.1 紋波電流計算

1)電容容量

2)充電時間

3)放電時間

4)充電電流

5)放電電流

6)紋波電流

3.2 功率損耗計算

3.3 電解電容發熱公式

 

達到熱平衡時容器中心溫度T0 和環境溫度T 的溫升由散熱方式（空氣散熱、容器散熱）和耗散功率PD 決定，用熱阻來描述，熱阻(Thermal Resistance)Rq ，單位（℃/W）：  

●△T 加紋波電流I 時電解電容自身發熱（deg℃）

● I 實際工作紋波電流（A rms）,

●β散熱系數（W/℃ Cm2）

●S電解電容的表面積（cm2）

●R 電解電容等效阻抗（ESR Ω）

3.4 合成紋波電流計算

因為實際電路中,紋波電流包含有各種頻率波形的紋波電流,所以對實際電路紋波電流的計算應該由合成紋波電流Irms 得到：

3.5 額定工作溫度

電解電容的行業規定，在額定溫度T0下，加上允許額定紋波電流I 產生的最大發熱△t≤5 deg℃

因此實際紋波電流為Ir 時，電容器自身的發熱是

●△t 為額定溫度下加上額定紋波電流時電容器允許最大溫升（deg℃）

●Ir 電容器額定紋波電流（Arms）

●I 為（計算的）實際工作紋波電流（ Arms）

3.6 電解電容壽命計算

由上面的分析可知,考慮紋波電流后的電解電容的壽命計算公式最后為:

●T0 為額定溫度(比如105℃)

●Δt 為額定溫度時最大允許溫升5℃

●T 為環境工作溫度(比如55℃)

●ΔT 為T 溫度時紋波電流產生的發熱值(比如20℃)

 

4 舉例

一電容ED33uF/200V/105℃，額定壽命L0=8000 小時，允許紋波電流I=195mA/120Hz,在環境為55℃的110V/60Hz 電路中應用。

1.三角波

2.弦波

3.合成

4.發熱

5.壽命

 

1)不考慮紋波電流的使用壽命

2)考慮紋波電流的實際使用壽命

 

5 結論

由上面例子計算可知,紋波電流對電解電容壽命的影響是非常大的,電路工程師在設計使用電解電容時,不但要考慮電容工作的環境溫度,還要考慮電路紋波電流對電解電容壽命帶來的影響,盡可能的延長電解電容的使用壽命。

 

電路呈容性或強感性會影響到三極管等安全切換,使晶體管損耗加重,發熱增大，并在電解電容上疊加有很高的單尖鋒紋波電流，充放電紋波電流變窄變高，最后使電解電容嚴重發熱直至損壞,表現為冒頂﹑冒汽﹑漏液或爆炸。

 

盡量選擇質量好的電解電容，密封性能好的電容，切不可使用壽命減半的拆件電解電容。給電解電容一個安全的工作環境，合理的設計，才是解決電解電容冒頂﹑冒汽﹑漏液以延長壽命的解決之道。