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    電源適配器里電解電容的紋波電流與溫升

    發布時間:2022.06.17 15:55 瀏覽次數:142
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    電源適配器里電解電容的紋波電流與溫升
    眾所周知,開關電源適配器為了可靠的電性能和較長的使用壽命,必須選用具有足夠電壓和溫度裕量的電解電容器,我們不太熟悉滿足適當紋波電流額定值的要求。為了更好了解這個要求,應該先了解電解電容的基本結構。
    在典型的鋁電解電容器,兩條鋁箔帶將螺旋纏繞在吸收飽和電解液材料層之間。采用非常薄的絕緣電介質膜,在鋁和導電電解液接口處形成電容,該絕緣電介質膜是由流動電解液中極化電壓來維持的。如果電解液開始變干,能吸收電解液分隔物的電阻會增大,電介質開始破壞,此時的電解電容將會迅速失效。
    為了防止電解液的損失,電容應具有密封的端蓋、引出導線以及連接導線。在高溫下,電解液趨向于蒸發并使外殼加壓,這些密封作為一個整體承受著很大的壓力。此外,電容在高溫下損耗會變大而導致失控。為了長期的可靠性,電容器的溫度成為主要關心的問題。以下三個主要因素結合起來確定了電容器的內部溫度。
    1. 環境工作溫度。
    2. 散熱設計和通風環境。
    3. 內部損耗。
    環境溫度是關于應用與技術要求的內容,它基本上是不受設計者控制的。散熱設計經常是在設計者控制之下的一個主要因素。高溫元件的位置、布局、散熱器設計、尺寸大小和冷卻方法(強迫通風或對流冷卻)等相比內部損耗對電解電容器的溫升有更大的影響。如果需要保持良好的平均故障間隔MTBF時間,設計者頭腦中必須一直想到電解電容器需要保持的最小熱應力。電解電容器內部損耗一般是相當低的,它受到電壓應力、溫度,并且特別是紋波電流的影響。為了幫助開關電源的設計者,電解電容器生產廠家指定最大的有效紋波電流額定值作為一般指南,該值通常是在120Hz頻率和85℃或者105℃空氣溫度的條件下得出的。
    在測試頻率(通常是120Hz)下,通過使電容工作在直流極化電壓和正弦紋波電流應力下,生產廠家建立了這些紋波電流的額定值。被引用的數字也因此建立在有低次諧波分量的紋波電流有效值的基礎上,這樣在電容器內部會造成能確定的最大內部損耗和溫升。允許的溫升取決于電容的設計,而它的最大等級通常是8℃.由于內部損耗而帶來的實際實際允許溫升不會經常引用,但可以從生產廠家獲得。重要的是不管工作溫度是多少,都不能超出內部損耗限制,因為在高紋波電流下內部損耗會增加,這樣可能會發生熱擊穿。
    不管采用說明方法建立紋波額定值以及電容器的大小,這里推薦在最終應用中測量溫度,因為最終的溫升是由于紋波電流產生的內部熱損耗、周圍元件接近效應和熱設計共同作用的結果。與內部熱損耗相比,附件元件的熱輻射和熱對流傳導將會在電容器中產生更大的溫升。
    由于紋波電流和峰值工作溫度的影響,電容器所允許的最高溫升會隨著電容器類型不同和生產廠家不同而不同。在這里所用的例子中,在自由通風的環境里,紋波電流所允許的最大溫升只有8℃(正是這種限制,供制造廠采用以限定紋波電流的額定值)。此額定值用于自由通風環境的空氣溫度為85℃,而外殼溫度為93℃.這種方法設置了運行時的絕對限制值,并沒有考慮溫升的原因。電容器的壽命在這個溫度時不會長久的,我們推薦更低的工作溫度。
    大多情況下,我們并不知道等效的電流有效值,盡管在工作頻率下該值時可以計算或測量的,但它對建立電容的最終溫升值不總是有很多幫助的。在開關模式的工作方式下,一般都存在很高的諧波分量,并且電容損耗會隨著各次諧波的頻率變化和幅值不同發生變化(并且隨著頻率的變化,等效串聯電阻是以非線性方式變化的)。所以損耗分量是與頻率有關的,這種通常情況下是不知道的。因此下面將講到的是推薦的最終測試步驟.在最終應用中通過測量溫升確定選擇合理性:
    1. 在遠離其他熱效應的影響、正常運行的條件下來測量電容器的溫升(如果有必要的話,把電容器連接到一種短的雙絞電纜線,以遠離其他元器件的熱效應,或在發熱元件和電容器之間插入一個熱障隔離其影響)。單獨測量由于紋波電流而產生的電容器的溫升,并且把這個溫升與生產廠家的限制值進行比較。
    2. 如果因紋波電流而產生的溫升是可以接受的,在正常位置安裝上電容器并使電源適配器承受最高溫度應力和負載條件的影響。測量電容器的表面溫度,以保證它是在制造商的最高溫度限制內,并應測試幾個樣品。
    電解電容器的長期可靠的最重要參數毫無疑問是在工作環境里電容器的溫升。在高溫下,電容器的損耗迅速地增加,這增加了內部功耗并導致熱擊穿。這里還沒有合適的方法可以替代成品的性能和溫升的測量。

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