铝电容器—做出正确选择

　　器件的构造决定了其电气特性。通过电解液，电荷可往返于阳极氧化层。而有限的电解液和热变传导性导致磁电阻损失。此外，铝氧化物本身也会引起功率损耗，导致功率随着频率的增加而大幅下降。

　　所有导致电容器损耗的实物可组合成一个等效串联电阻(ESR)。值得注意的是合成模型(如图3所示)只能用于交流电源。RA 和RC 分别代表阳极箔和电解液接触箔引起的频变损耗。不要将RA和RC与有时用于DC模型中表示泄漏电流的并联电阻器相混淆。

　　合成的总体ESR并不是一个简单的、单值量，而是随着频率和温度的变化而变化。ESR是根据频率和温度来测量(如图4a所示)。电容量的情况也是一样(如图4b所示)，电容发生变化是因为阳极氧化物的细孔中的电解液的电阻与细孔中的电容相结合形成一个低通网络。频率高时，细孔中的电容大部分被隔离，直至只剩表面电容。低温时，电解液传导性降低，频率开始发挥作用。

　　使用电解液同样也会导致电气特性随着时间的变化而发生变化。即使在室温条件下， 铝电容器内部的部分电解液会蒸发。由于电容器有密封箱，蒸发掉的电解液不会直接散发至空气中，尽管如此，密封罐内外的蒸汽浓度差仍会致使电解液透过密封箱扩散。因此，铝电容器随着时间会慢慢而又稳定地消耗电解液，直至器件变干。铝电容器的温度越低，干燥过程就越慢，器件的使用寿命也就越长。

　　环境温度与因电流流经电容器时产生的热度量而引起的温升相结合决定了器件的整体温度。器件的整体温度与ESR成比例，且两者对于干燥过程起着类似的影响。随着铝电容器中的电解液量降低，ESR会升高，原因是输送电荷往返于阳极氧化物的电解液减少。如果电解液的降低会减少与蚀刻阳极表面接触的机会，电容也会降低。

　　电气特性的这些变化将最终使电路不能发挥所期望的作用，界时铝电容器的使用寿命也就结束了。不管该器件是用于能量缓冲还是滤波，为了使其正常发挥功能，有必要计算所需(最小)电容，以及检验其它参数，以确保长期性的、无故障地运作。

　　选择电路的铝电容器的值时，通常采用以下公式计算：

　　第一个公式用于计算RC的滤波要求。值得注意是，在低温和频率较高时，该公式不考虑ESR的影响。同样，在大多数情况下，R的值不明显。例如，在整流器电桥中，其量值为相关二极管网络的导通电阻。

　　第二个公式显示了存储在电容器中的能量(E = 1/2 CU2)与从电容器中提取出的或存储在电容器中的功率随着时间间隔( t . )所发生的变化之间的关系。这个公式可以用来计算出电源输入缓冲器的最低电容，即在使用寿命结束时也必须达到的要求。注意：使用寿命结束时允许电容下降15%~30%。

　　例如， 假设电源为100W、功效为85 %、保持时间20 ms、输入电压为220 V ±10 % (则Ut为220 * (1 - 0.1) * sqrt(2) = 280 V)及逆向转换器最低电压为80 V，则第二个公式得出的电容值为66mF。但是，设计者必须对备件使用寿命结束时预计的电容降低进行评估，若降低15%，则建议将最低电容值提高至78mF。

　　有些电阻损耗所引起的热度可以忽略不计，例如，在定时电路中， 可以根据环境温度采用阿列纽斯(Arrhenius)的计算规则计算使用寿命。但是，对于电源中的铝电容器而言，就不能这样计算，因为通过电容器的“纹波”(充电/放电)电流引起的温升不能忽略不计。因此，需要采用一些方法来说明该种温升的作用。其中重点之一就是热度、纹波电流与铝电容器散热的能力之间的关系，或者热变电阻常以K/W为单位。

　　纹波电流引起的温升等于热变电阻Rth 、ESR和RMS电流的平方的乘积(T=Rth * I2*ESR)。

　　但是，厂家一般不规定ESR和热变电阻的值， 厂家一般只为指定的频率引用额定纹波电流(IR) 。温度模型化是解决该问题的方法之一，但更直接的方法是对比应用环境下的热耗散和参考环境下的热耗散(一般气流量为0.5 m/s)。在参考环境下，数据表一般指定纹波电流为引起限定温升的纹波电流：例如，5℃或10℃。

　　这给出了指示电容器处理纹波电流好坏程度的质量因数：例如，在最大额定温度时，Vishay 铝电容器可在规定的使用寿命内处理由额定纹波电流导致的热量产生。设计人员可使用该数值计算将由他们在应用中所期望的纹波电流导致的升温：这将因数据手册中发布的实际电路电流(IA) 与额定纹波电流(IR) 之间比值的平方而异。

　　当应用纹波电流的频率与额定纹波电流的频率不同时，这些计算会变得更加复杂。由于功耗取决于ESR，因此必须引入校正因数得出ESR 随频率变化的实际情况。

　　在这种情况下，通常有两种简化假设可提供帮助：第一，来自不同来源的纹波电流与相位无关；第二，这些电流大致为正弦曲线。然后，设计人员可使用制造商的引用电流校正因数(Kfn) 计算有效的总应用纹波电流：例如，对于Vishay 铝电容器家族中的每个系列，数据手册均提供了具有在各种频率下的相关纹波电流校正因数的表。一旦使用了这些因数来推导等效的总纹波电流IA，则可将该值带入这些计算中，从而算出温度升高值。

　　实际上，这种复杂情况的升温变化方式恰恰与更简单的单频方法相同：利用应用纹波电流与参考纹波电流之间的平方比值。区别在于该计算中使用的应用纹波电流为等效电流，如使用引用的电流校正因数所计算的。
　　
　　通过利用广泛的测试以及长期的铝电容器使用经验，Vishay 开发了一种图形工具，该工具可显示铝电容器的使用寿命与影响温度的两大因素之间的关系(请参见图5)。称为使用寿命列线图的该工具可以铝电容器的环境温度(Tamb) 为横轴来绘制IA/IR 参数图。

　　该列线图可用于计算特定应用中的规定纹波电流额定值以及必需的使用寿命规格。对于纹波电流，起点为规定的使用寿命。该值除以数据手册中给出的最大工作温度时电容器的引用使用寿命。其比值为“使用寿命乘数”，然后该比值可使设计人员了解从该列线图的哪条曲线读数。然后，工程师必须估算预计的工作温度，然后从该列线图读取相应的IA/IR 比值，以推导出需要为目标应用指定哪一纹波电流额定值。

　　同样，计算必需的使用寿命规格需要了解预计的工作温度及应用纹波电流。该列线图可用于读取必需的使用寿命乘数：所需的应用使用寿命除以该数量，等于必需的电容器使用寿命。与该列线图结合使用的纹波电流值可通过以下多种方式获得：通过模拟和计算，或者通过直接测量。如果设计阶段使用了电路模拟器，则可使用模拟结果来获得铝电容器纹波电流元件的RMS 值。

　　直接近似值通常涉及了电流探针及诸如示波器等仪表的使用，这些仪表可计算所测量信号的RMS 值及频谱。但记住，尽管将电流探针引入电路中几乎不会改变铝电容器中的纹波电流，但这些探针通常具有有限的低带宽，可能无法正确测量低于100Hz 的低频元件，这一点非常重要。而且，当电流值超出测量范围时，有些电流探针会达到饱和，从而产生错误的读数。

　　另一个方法是，将低电感(SMD) 电阻与铝电容器串联。该电阻值必须小于铝电容器的ESR值(正常值为10m.)，以便不影响高频元件的测量。与使用探针相比，直接在该电阻上焊接同轴电缆对测量信号的干扰更少。将电路地线(通常为输入铝电容器的电源相位之一)与已接地的示波器地线相连时要格外小心，这一点很重要。需要避免短路，并且必须使用隔离变压器将铝电容器电路与电源线隔开。

　　确定了RMS 值后，应仔细检查，通过对来自频率域中不同来源的主频元件的RMS 值(注意，由于这些为RMS 值，正确的求和方法是求它们平方之和的平方根)求和来验证这些RMS值。