电子产品的设计领域,将功能性、美观性与实用性三者完美结合,一直是设计师们追求的目标。功能性是产品的,它确保产品能够切实满足用户的基本需求;美观性则如同产品的 “外衣”,能在时间吸引消费者的目光;而实用性则是产品在实际使用过程中的便捷保障。然而,在实际设计中,却存在着一个令人头疼的问题 —— 电子产品设计寿命通常为 3 年,可的寿命却可能只有 83 天,这该如何是好呢?
刚毕业时,在查看电子元器件规格书时会发现,像电阻、MLCC 等器件一般不会标示寿命,但电解电容的规格书中却明确标注了其寿命,如 1000 小时、2000 小时、6000 小时等。当时看到 2000 小时换算成 83 天,难免会觉得疑惑,什么样的产品只用 83 天就报废了呢?现在想来,这其实反映了我们对电解电容寿命概念的初步认知。接下来,我们就深入探讨一下电解电容的使用寿命,以及如何正确理解和计算它。
首先,我们要明确电解电容使用寿命的定义。很多人可能会认为,超过电解电容的使用寿命,它就会出现开路、短路甚至爆炸等情况。其实不然,在正常使用期间,电解电容的电容值、损耗角(关于损耗角不理解的可以看这篇文章:手把手教你基于规格书计算电解电容不同频率下的 ESR 参数,有详细的计算步骤)和漏电流会随着时间的增加而发生变化。当这些参数与初始额定值相比,变化量均未超过一定范围时,此时电解电容已经工作的时间就被认为是它的寿命。例如,有一款电解电容有 5 种寿命类型,以 2000hrs 的寿命类型为例,这意味着这款电容在额定电压以及 125℃温度下,其电容容值相对于额定值的变化量不超过 30%,损耗角相对于额定值的变化量不超过 300%,漏电流不超过初始值。如果该电容在连续工作 2000hrs 后仍能满足这些条件,就认为其寿命是 2000hrs,当然这里说的满足是批量性的满足。
接下来,我们看看电解电容使用寿命的计算方法。电解寿命计算的理论依据是 Arrhenius 方程,从这个方程中我们可以了解到,影响电解电容寿命的因素主要包括电容自身的材料、温度等。基于 Arrhenius 方程,推导出了电解电容的寿命估算公式:L = Lr×KT×KR×KV 。其中,Lr 为电容供应商能够保证的基本时间;KT 为温度影响因子;KR 为纹波电流影响因子;KV 为工作电压影响因子(不同厂家,这个值是不一样的,具体需要和厂家确认,所以此处我们暂不考虑)。具体公式如下:
其中,T0 为电容额定工作温度(电解电容规格书中有);T 为电容实际工作温度(可以按产品的实际环境温度评估);K 为纹波加速系数,一般取 2;I 为实际纹波电流(开关电源的话有对应的纹波电流计算公式);I0 为额定纹波电流(电解电容规格书中有 );ΔT0 表示电容允许的额定纹波电流下导致的电容温升( 电解电容规格书中有 )。如果电解电容没有用在开关电源等会导致电解电容中出现较大纹波电流的电路中,还可以使用简化公式。大家如果实在不想自己算,还可以在线计算,公众号内回复 “电解电容寿命” 即可获取比较好用的电解电容寿命在线计算网站。
,我们通过一个实例来进一步说明。例如某电解电容在温度为 105℃时,寿命为 2000 小时。根据计算公式,如果电解电容实际工作的温度是 60℃,可以计算出其工作寿命约为 45254H,也就是约 1885 天,将近 5 年。但在实际产品设计中,我们通常是基于产品的使用寿命来进行电解电容选型。比如产品设计寿命是 3 年,即 26280 小时,我们就可以通过以上公式计算出电解电容的允许温升为 37.3℃。如果电解电容的额定温度为 105℃,那么其实际工作温度就不能超过 67.7℃。