发表于：2011/6/16 15:42:37
#0楼
液态1N4148铝电解电容器失效分析
摘要：本文阐明了1N4148铝电解电容器的主要失效为磨损失效，通过数据、图表分析了纹波电流、电压、温度、频率对电容器失效的影响。
关键词：磨损失效；纹波电流；电压；温度；频率
引言
1N4148铝电解电容器是电子设备中应用较为广泛的一种元器件，由于具有比较大的电容容量，常被用作整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交流电路的耦合以及储能等。但其损耗角正切值较大，温度、频率特性相对较差，受纹波电流、瞬时高压、环境温度以及高频影响大，容易造成失效。本文对其失效原因进行了分析。
概述
电解电容的失效遵从一种被称为“浴缸”的失效率曲线，如图1所示。
其表征的是一种普遍的器件(设备)失效率趋势。但在实际应用中，电解电容的设计可靠性一般以其实际应用中的期望寿命作为参考。这种期望寿命表达的是一种磨损失效。如图2所示，在利用威布尔概率纸对1N4148铝电解电容的失效率进行分析时可看到，在某一使用期后，其累进失效率曲线斜率要远大于1，这说明1N4148铝电解电容的失效模式其实为磨损失效所致。
造成1N4148铝电解电容器磨损失效的因素可分为两大部分。其一是电容本身特性，其中包括制造材料的(极片、电解液、封口等)选择及配方，制造工艺及技术(封口方式、散热技术等)；其二是电容的应用环境，包括环境温度、散热方式、电压、电流及频率参数等，具体参考HTTP://WWW.HQEW.COM/TECH/DR/200010060001/273555.HTML)。
下面主要说明电容应用环境对1N4148铝电解电容器寿命的影响。1N4148铝电解电容生命终结一般定义为电容量C、漏电流(IL)、损耗角(tanδ)这三个关键参数之一的衰减超出一定的范围。
纹波电流与1N4148铝电解电容器失效的关系
纹波电流对1N4148铝电解电容器的影响主要是在ESR上产生功耗，使1N4148铝电解电容器发热进而缩短其使用寿命。计算公式为
Ploss=(Irms)2 × ESR
Th=Ta+ Ploss × Rth
Lop=A× 2(B-Th/C) 数小时
其中：Ploss为电容器的功耗，Irms为通过电容的纹波电流的有效值；Th为热点温度，Ta为环境温度，Rth为从热点到外围环境的热阻值；A为参考温度下的寿命(随电容的直径变化)，B为参考温度(典型 85℃)，C为寿命减半时所需的温度上升值(对于螺旋连接式电容器典型值是 12℃)。
图3所示为纹波电流及其产生的热量对1N4148铝电解电容器寿命的影响。从图中可见，随着纹波电流的增大，电容器的寿命缩短。其原因是纹波电流增大，功耗增加，热点温度升高，致使寿命缩短。当纹波电流过大时，还会造成热失效。
电压对1N4148铝电解电容器失效的影响
通过对容量为47μF，额定电压分别为25V、50V、100V、160V的电容器进行漏电流试验，得到电压与漏电流的关系如图4所示。
由图可知，正向电压对电容器漏电流的影响比较小，因而对电容器失效影响较小，但是在过额电压作用下，正向漏电流急剧飙升。例如：额定电压为100V的电容器，在施加电压小于100V时，漏电流只有几μA；而当电压一旦超过100V，电流迅速上升，120V时漏电流可以达到50μA。因此过电压对电容器寿命影响非常大，当阳极箔片电压因热量的产生及自身绝缘的崩溃而减小时，一个大电流将流经电容器并在短时间内引起内部压力的激增。如果安全阀门被启动而开启，转变成气体的电解液将很快被释放出去，电容能量将等于1/2CV2。过额电压越大将导致越激烈的阀门爆炸，箔片之间越有可能出现短路。
在反向施压时，即使很小的电压也会产生很大的反向电流。还是以额定电压100V为例，当反向电压为3V左右时，漏电流就达到50μA，1N4148铝电解电容器内部损耗会很大，电容器将立即失效。因此在使用中，禁止在1N4148铝电解电容器两端加上交流电。
温度与1N4148铝电解电容器失效的关系
一般来说(并非绝对)，当1N4148铝电解电容器在最大允许工作环境温度以下工作时(一般最低到+40℃的温度范围)，电容的期望寿命可以根据阿列纽斯理论进行计算。该理论认为，温度每上升10℃1N4148铝电解电容器的寿命会减半(每上升10℃将在原基础上衰减一半)。从而可以得到如图5所示的寿命和温度关系曲线，图中给出了五种额定温度和寿命的1N4148铝电解电容器的寿命和温度关系曲线。
从图中可以看出，在+40℃到其额定温度之间，随着温度的下降，各种1N4148铝电解电容器的寿命得到延长。相反，温度一旦超过其额定温度时，电容器寿命骤减，造成失效。
频率特性对1N4148铝电解电容器的影响
频率特性主要会影响1N4148铝电解电容器的容量。当频率增大时，会降低电容器的容量，超出一定值后，可能造成电容器的失效。其原因为，1N4148铝电解电容器为增大电极表面积而将阳极、阴极铝箔腐蚀的非常粗糙，与粗糙的阳极电极深处对应的是电解液的阴极，由于电解液具有较高的电阻率而使得粗糙的阳极电极深处的电容到引出端实际上已形成RC电路，随频率的上升，这个子电容的作用越来越弱，等效电容越来越小，影响电路的性能，进而可以认为电容器失去了作用。通过试验得出频率与1N4148铝电解电容器电容量的关系如图6所示。
结语
1N4148铝电解电容器广泛应用在开关电源中，而且是影响开关电源寿命的最主要因素，因此研究它的失效，可以使电容器得到更好的应用。
摘要：本文阐明了1N4148铝电解电容器的主要失效为磨损失效，通过数据、图表分析了纹波电流、电压、温度、频率对电容器失效的影响。
关键词：磨损失效；纹波电流；电压；温度；频率
引言
1N4148铝电解电容器是电子设备中应用较为广泛的一种元器件，由于具有比较大的电容容量，常被用作整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交流电路的耦合以及储能等。但其损耗角正切值较大，温度、频率特性相对较差，受纹波电流、瞬时高压、环境温度以及高频影响大，容易造成失效。本文对其失效原因进行了分析。
概述
电解电容的失效遵从一种被称为“浴缸”的失效率曲线，如图1所示。
其表征的是一种普遍的器件(设备)失效率趋势。但在实际应用中，电解电容的设计可靠性一般以其实际应用中的期望寿命作为参考。这种期望寿命表达的是一种磨损失效。如图2所示，在利用威布尔概率纸对1N4148铝电解电容的失效率进行分析时可看到，在某一使用期后，其累进失效率曲线斜率要远大于1，这说明1N4148铝电解电容的失效模式其实为磨损失效所致。
造成1N4148铝电解电容器磨损失效的因素可分为两大部分。其一是电容本身特性，其中包括制造材料的(极片、电解液、封口等)选择及配方，制造工艺及技术(封口方式、散热技术等)；其二是电容的应用环境，包括环境温度、散热方式、电压、电流及频率参数等，具体参考HTTP://WWW.HQEW.COM/TECH/DR/200010060001/273555.HTML)。
下面主要说明电容应用环境对1N4148铝电解电容器寿命的影响。1N4148铝电解电容生命终结一般定义为电容量C、漏电流(IL)、损耗角(tanδ)这三个关键参数之一的衰减超出一定的范围。
纹波电流与1N4148铝电解电容器失效的关系
纹波电流对1N4148铝电解电容器的影响主要是在ESR上产生功耗，使1N4148铝电解电容器发热进而缩短其使用寿命。计算公式为
Ploss=(Irms)2 × ESR
Th=Ta+ Ploss × Rth
Lop=A× 2(B-Th/C) 数小时
其中：Ploss为电容器的功耗，Irms为通过电容的纹波电流的有效值；Th为热点温度，Ta为环境温度，Rth为从热点到外围环境的热阻值；A为参考温度下的寿命(随电容的直径变化)，B为参考温度(典型 85℃)，C为寿命减半时所需的温度上升值(对于螺旋连接式电容器典型值是 12℃)。
图3所示为纹波电流及其产生的热量对1N4148铝电解电容器寿命的影响。从图中可见，随着纹波电流的增大，电容器的寿命缩短。其原因是纹波电流增大，功耗增加，热点温度升高，致使寿命缩短。当纹波电流过大时，还会造成热失效。
电压对1N4148铝电解电容器失效的影响
通过对容量为47μF，额定电压分别为25V、50V、100V、160V的电容器进行漏电流试验，得到电压与漏电流的关系如图4所示。
由图可知，正向电压对电容器漏电流的影响比较小，因而对电容器失效影响较小，但是在过额电压作用下，正向漏电流急剧飙升。例如：额定电压为100V的电容器，在施加电压小于100V时，漏电流只有几μA；而当电压一旦超过100V，电流迅速上升，120V时漏电流可以达到50μA。因此过电压对电容器寿命影响非常大，当阳极箔片电压因热量的产生及自身绝缘的崩溃而减小时，一个大电流将流经电容器并在短时间内引起内部压力的激增。如果安全阀门被启动而开启，转变成气体的电解液将很快被释放出去，电容能量将等于1/2CV2。过额电压越大将导致越激烈的阀门爆炸，箔片之间越有可能出现短路。
在反向施压时，即使很小的电压也会产生很大的反向电流。还是以额定电压100V为例，当反向电压为3V左右时，漏电流就达到50μA，1N4148铝电解电容器内部损耗会很大，电容器将立即失效。因此在使用中，禁止在1N4148铝电解电容器两端加上交流电。
温度与1N4148铝电解电容器失效的关系
一般来说(并非绝对)，当1N4148铝电解电容器在最大允许工作环境温度以下工作时(一般最低到+40℃的温度范围)，电容的期望寿命可以根据阿列纽斯理论进行计算。该理论认为，温度每上升10℃1N4148铝电解电容器的寿命会减半(每上升10℃将在原基础上衰减一半)。从而可以得到如图5所示的寿命和温度关系曲线，图中给出了五种额定温度和寿命的1N4148铝电解电容器的寿命和温度关系曲线。
从图中可以看出，在+40℃到其额定温度之间，随着温度的下降，各种1N4148铝电解电容器的寿命得到延长。相反，温度一旦超过其额定温度时，电容器寿命骤减，造成失效。
频率特性对1N4148铝电解电容器的影响
频率特性主要会影响1N4148铝电解电容器的容量。当频率增大时，会降低电容器的容量，超出一定值后，可能造成电容器的失效。其原因为，1N4148铝电解电容器为增大电极表面积而将阳极、阴极铝箔腐蚀的非常粗糙，与粗糙的阳极电极深处对应的是电解液的阴极，由于电解液具有较高的电阻率而使得粗糙的阳极电极深处的电容到引出端实际上已形成RC电路，随频率的上升，这个子电容的作用越来越弱，等效电容越来越小，影响电路的性能，进而可以认为电容器失去了作用。通过试验得出频率与1N4148铝电解电容器电容量的关系如图6所示。
结语
1N4148铝电解电容器广泛应用在开关电源中，而且是影响开关电源寿命的最主要因素，因此研究它的失效，可以使电容器得到更好的应用。
