固态电容

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电解电容作用

　　1) 隔直流----作用是阻止直流通过而让交流通过。

　　2) 滤波----在电源电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性(储能作用)，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。

　　3) 耦合作用----在低频信号的传递与放大过程中，为防止前后两级电路的静态工作点相互影响，常采用电容藕合.作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。

　　4)旁路----为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

　　5)储能----储存电能，用于必须要的时候释放。

　　6) 温度补偿----针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。

　　7) 调谐----对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。

铝电卧式电解电容容量随频率的增加而减小

 这里的电解电容器主要指铝电解电容器，其基本的电参数bao括下列五点：

1、电容值

    电解电容器的容值，取决于在交流电压下工作时所呈现的阻抗。因此容值，也就是交流电容值，随着工作频率、电压以及测量方法的变化而变化。在标准JISC 5102 规定：铝电解电容的电容量的测量条件是在频率为 120Hz，zui大交流电压为 0.5Vrms，DC bias 电压为1.5 ～ 2.0V 的条件下进行。可以断言，铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。

2、损耗角正切值 Tan δ

在电容器的等效电路中，串联等效电阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Tan δ， 这里的 ESR 是120Hz 下计算获得的值。显然，Tan δ 随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大。

3、阻抗 Z

在特定的频率下，阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗（Z）。它与电容等效电路中的电容值、电感值密切相关，且与 ESR 也有关系。

Z = √ [ESR2 + (XL - XC)2 ]

9式中，XC = 1 / ωC = 1 / 2πfC

XL = ωL = 2πfL

电容的容抗（XC）在低频率范围内随着频率的增加逐步减小，频率继续增加

达到中频范围时电抗（XL）降至 ESR 的值。当频率达到高频范围时感抗（XL）

变为主导，所以阻抗是随着频率的增加而增加。

4、漏电流

电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而，由于铝氧化膜介质上

浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小

的称之为漏电流的电流。通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。

5、纹波电流和纹波电压

在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”，其实就是 ripple

current，ripple voltage。 含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。 它们和

ESR 之间的关系密切，可以用下面的式子表示：

Urms = Irms × R

式中，Vrms 表示纹波电压

Irms 表示纹波电流

R 表示电容的 ESR

由上可见，当纹波电流增大的时候，即使在 ESR 保持不变的情况下，涟波

电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是

要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串

连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与

频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

电解电容寿命问题主要依赖于电路设计，由于参数变量导致的装置故障并不一定意味着设备故障。这意味着铝电解电容器的实际寿命可能会长于给定使用寿命。使用寿命有关数据来自于业内使用经验以及加速试验。

 在低于额定值的负载下（比如较低的工作电压、电流及环境温度）运行电容器以及采用适当的散热措施均可延长使用寿命。除标准系列外，卓昊电子可照客户特殊要求提供其它使用长寿命电解电容器。

1、铝电解电容负载条件

 IEC基于以下条件定义了有液体电解液（科尼盛拥有自主知识产权的电解液配方）电容器的使用寿命：

外型尺寸

　　外型尺寸与重量及接脚型态相关。single ended是径向引线式，screw是锁螺丝式，另外还有贴片铝电解电容等。至於重量，同容量同耐压，但品牌不同的两个电容做比较，重量一定不同；而外型尺寸更与外壳规划有关。一般来说，直径相同、容量相同的电容，高度低的可以用高度大的电容，但是长度高的替低的电容时就要虑机构干涉问题。

ESR

　　一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗。ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感是一对重要参数─这就是容抗的基础。一个等效串联电阻（ESR）很小的电容相对较大容量的外部电容能很好地吸收快速转换时的峰值（纹波）电流。用 ESR 大的电容并联更具成本效益。然而,这需要在 PCB 面积、器件数目与成本之间寻求折衷。

纹波电流和纹波电压

　　在有的资料中称作涟波电流和涟波电压，其实就是 ripple current，ripple voltage。含义就是电容器所能耐受纹波电流/电压值。纹波电压等于纹波电流与ESR的乘积。

　　当纹波电流增大的时候，即使在 ESR 保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

　　额定纹波电流是在zui高工作温度条件下定义的数值。而实际应用中电容的纹波承受度还跟其使用环境温度及电容自身温度等级有关。规格书目通常会提供一个在特定温度条件下各温度等级电容所能够承受的zui大纹波电流。甚至提供一个详细图表以帮助使用者迅速查找到在一定环境温度条件下要达到某期望使用寿命所允许的电容纹波量。

高频低阻电解电容缺点：漏电流大 、误差大 、稳定性差 、寿命随温度的升高下降很快。

　　数字电路中使用的铝质电解电容一般用于电源平滑滤波，除容量、耐压、容量误差、工作温度、封装尺寸等熟知的参数外，还有儿个有关电容器品质的重要参数，bao括损耗角正切、漏电流、等效串联电阻ESR、允许的纹波电流、使用寿命等。这些参数不标在成品封装外皮上，只在产品规格书中体现的，但这些参数有可能是关系电路性能的关键。

  高频低阻电解电容容量和额定工作电压

　　铝电解电容本体上标有的容量和耐压，这两个参数是很重要，是选用电容最基本的内容。

　一：温度对电容器寿命的影响。

　　一 般情况下，电容的寿命随温度的升高而缩短，最明显的是电解电容器。一个极限工作温度为85℃的电解电容器，在温度为20℃的条件下工作时，一般情况可以保证181019小时的正常工作时间;而在极限温度85℃的条件下工作时，一般情况仅仅可以保证2000小时的正常工作时间。由此可见，温度对电容器的寿命有非常大的影响。

　　二：温度与电容的损耗成正比。

　　任何电容器都有一个损耗角正切值，也就是损耗值。一般情况下，正切值会随温度的升高而加大，以CC10型高频瓷介电容举个例子，在20℃左右的情况下，正切值为0.0012，在85℃温度时，正切值为0.0018，可以看出温度对电容器的损耗影响还是挺大的。

   三相交流电经桥式整流转变成直流电，再经电容CF滤波，施加到由GTR1-GTR6组成的逆变桥逆变成电压和频率可调的三相交流电，供给三相异步电动机。其电压和频率的协调控制由变频控制器实现。

　　该系统滤波电容的作用是：

　　(1)起滤波作用，用来限制逆变器输进端电压的脉动；

　　(2)当异步电动机运行于再生制动状态时，吸收经逆变桥回送到直流环节的电能。

　　很显然，该系统的直流滤波环节就是滤波电容CF。该系统滤波参数的计算就回结为电容参数CF的计算。

　　2 直流环节的等效电路及充放电电流的计算

　　基于如下几个方面的虑：

　　(1)逆变器在工作过程中，电容两端电压的峰-峰值应当小于指标规定的数值；

　　(2)直流环节的损耗应保持在zui小值；

　　(3)逆变器和感应电动机中产生的瞬变现象应充分得到阻尼；

　　(4)直流环节的参数应不影响整个系统的稳定性。

影响电解电容寿命的因素

电解电容广泛应用在电力电子的不同领域，主要是用于平滑、储存能量或者交流电压整流后的滤波，另外还用于非精密的时序延时等。在开关电源的MTBF预计时，模型分析结果表明电解电容是影响开关电源寿命的主要因素，因此了解、影响电容寿命的因素非常重要。

　　电解电容的寿命取决于其内部温度。因此，电解电容的设计和应用条件都会影响到电解电容的寿命。从设计角度，电解电容的设计方法、材料、加工工艺决定了电容的寿命和稳定性。而对应用者来讲，使用电压、纹波电流、开关频率、安装形式、散热方式等都影响电解电容的寿命。

电解电容寿命问题主要依赖于电路设计，由于参数变量导致的装置故障并不一定意味着设备故障。这意味着铝电解电容器的实际寿命可能会长于给定使用寿命。使用寿命有关数据来自于业内使用经验以及加速试验。

 在低于额定值的负载下（比如较低的工作电压、电流及环境温度）运行电容器以及采用适当的散热措施均可延长使用寿命。除标准系列外，卓昊电子可照客户特殊要求提供其它使用长寿命电解电容器。

1、铝电解电容负载条件

 IEC基于以下条件定义了有液体电解液（科尼盛拥有自主知识产权的电解液配方）电容器的使用寿命：

 --额定电压

 --额定纹波电流（叠加在直流电压上的交流电压峰值不能超过额定电压）

 --额定温度

设计上虑因素

　　在非固态电解液的电容里，电介质为阳极铝箔氧化层。电解液作为阴极铝箔和阳极铝箔氧化层之间的电接触。吸收电解液的纸介层成为阴极铝箔与阳极铝箔之间的隔离层，铝箔通过电极引接片连接到电容的终端。

　　.　通过降低ESR值，可减少电容内由纹波电流引起的内部温升。这可通过采用多个电极引接片、激光焊接电极等措施实现。

　　ESR值和纹波电流决定了电容的温升。促使电容能有满意的ESR值的主要措施之一是：通常用一个或多个金属电极引接片连接外部电极和芯bao，降低芯bao和引脚之间的阻抗。芯bao上的电极引接片越多，电容的ESR值越低。借助于激光焊接技术，可在芯bao上加上更多的电极引接片，因此使电容能达到较低的ESR值。这也意味着电容能经受更高的纹波电流和具有较低内部温升，也就是说更长的工作寿命。这样做也有利于提高电容抗击震动的能力，否则有可能导致内部短路、高的漏电流、容值损失、ESR值的上升和电路开路。

　　.　通过对电容芯bao和铝壳底部之间良好的机械接触及通过芯bao中间的热沉，可将电容内部热量有效地从铝壳底部释放到与之联接的底板。

　　内部热传导设计对于电容的稳定性和工作寿命极其重要。在Evox Rifa公司的设计中，负极铝箔被延长到可直接接触电容铝壳厚的底部。这底部就成为芯bao的散热片，以使热点的热量能释放。如选用带螺栓安装方式，安全地将电容安装到底板上（通常为铝板），可得到更为quan面的具有较低热阻（Rth.）的热传导解决方案。

　　.　通过采用整体绕注有电极的酚醛塑料盖和双重的te制的封垫与铝壳紧密咬合，可大大减少电解液的损失。

　　电解液通过密封垫的蒸发决定了长寿命的电解电容工作时间。当电容的电解液蒸发到一定程度，电容将最终失效（这个结果会因内部温升而加速）。Evox Rifa公司设计的双层密封系统可减缓电解液蒸发速度，使电容达到其最长的工作寿命。

　　以上这些特性保证了电容在要求的领域中具有很长的工作寿命。

　一：温度对电容器寿命的影响。

　　一 般情况下，电容的寿命随温度的升高而缩短，最明显的是电解电容器。一个极限工作温度为85℃的电解电容器，在温度为20℃的条件下工作时，一般情况可以保证181019小时的正常工作时间;而在极限温度85℃的条件下工作时，一般情况仅仅可以保证2000小时的正常工作时间。由此可见，温度对电容器的寿命有非常大的影响。

　　二：温度与电容的损耗成正比。

　　任何电容器都有一个损耗角正切值，也就是损耗值。一般情况下，正切值会随温度的升高而加大，以CC10型高频瓷介电容举个例子，在20℃左右的情况下，正切值为0.0012，在85℃温度时，正切值为0.0018，可以看出温度对电容器的损耗影响还是挺大的。

在实际电容选型中，对电流变化节奏快的地方要用容量较大的电容，但并非容量越大越好，首先，容量增大，成本和体积可能会上升，另外，电容越大充电电流就越大，充电时间也会越长。这些都是实际应用选型中要虑的。

　　额定工作电压：在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，它能承受的zui大直流电压。在交流电路中，要注意所加的交流电压zui大值不能超过电容的直流工作电压值。常用的固定电容工作电压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、2500V、400V、500V、630V。电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。

　　在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。另外还要注意的一个问题是工作电压裕量的问题，一般来说要在15％以上。例如某电容的额定电压是50V，虽然涌浪电压可能高至63V，但一般zui高只会施加42V电压。

　　让电容器的额定电压具有较多的余裕，能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。虽然说， 48V的工作电压使用50V的铝电解电容短时间不会出现问题，但使用久了，寿命就有可能降低。

介质损耗

　　电容器在电场作用下消耗的能量，通常用损耗功率和电容器的无功功率之比，即损耗角的正切值表示（在电容器的等效电路中，串联等效电阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Tan δ，这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然，Tan δ随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大）。损耗角越大，电容器的损耗越大，损耗角大的电容不适于高频情况下工作。散逸因数dissipationfactor(DF)存在於所有电容器中，有时DF值会以损失角tanδ表示。此参数愈低愈好。但铝电解电容此参数比较高。

　　DF值是高还是低，就同一品牌、同一系列的电容器来说，与温度、容量、电压、频率……都有关系；当容量相同时，耐压愈高的DF值就愈低。此外温度愈高DF值愈高，频率愈高DF值也会愈高。

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　一：温度对电容器寿命的影响。

　　一 般情况下，电容的寿命随温度的升高而缩短，最明显的是电解电容器。一个极限工作温度为85℃的电解电容器，在温度为20℃的条件下工作时，一般情况可以保证181019小时的正常工作时间;而在极限温度85℃的条件下工作时，一般情况仅仅可以保证2000小时的正常工作时间。由此可见，温度对电容器的寿命有非常大的影响。

　　二：温度与电容的损耗成正比。

　　任何电容器都有一个损耗角正切值，也就是损耗值。一般情况下，正切值会随温度的升高而加大，以CC10型高频瓷介电容举个例子，在20℃左右的情况下，正切值为0.0012，在85℃温度时，正切值为0.0018，可以看出温度对电容器的损耗影响还是挺大的。

  作为开关电源的输出整流滤波电容器，卧式电解电容往往是首要的选择，铝电解电容器的电容量完全可以满足要求，而ESR则相对比较高。可以通过多只并联的方法降低ESR。也可以选择更大的电容量来降低ESR

　 　ESR是高频电解电容里面最重要的性能参数，很多电容供应商都强调“LOW ESR”这一性能特征，也就是ESR值很小的意思。那么，我们如何正确理解LOW ESR的实际意义呢?由于现在电子技术的发展，供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势，例如FPGA、DSP、RAM系列的供电电压都是很低，有的电路电 压小于2V，相比以前动辄3、4V的电压要低得多。但是，另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增，需求的功耗却是有增无减，因此按P=UI的公式来计算， 这些设备对电流的要求就越来越高了。

　　比如在电脑主板上，例如两颗功耗同样是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是 1.8V。那么，前者的电流就是I=P/U=70W/3.3V大约在21.2A左右。而后者的电流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A，达到了 前者的近一倍。在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生比以往更高的涟波电压(理想的输出直流电压 应该是一条水平线，而涟波电压则是水平线上的波峰和波谷)。

　　此外，即使是相同的涟波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更 大。例如对于3.3V的MCU而言，0.2V涟波电压所占比例较小，还不足以形成致命的影响，但是对用于1.8V供电的FPGA、DSP而言，同样是 0.2V的涟波电压，其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。

　　那么ESR值与涟波电压的关系何在呢?我们可以用以下公式表示：

　　V=R(ESR)×I

　　这个公式中的V就表示涟波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高，采用更低ESR值的电容是势在必行。这就是为什么如今的板卡等硬件设备上所用的电容，越来越强调低ESR的原因。

 电解电容降压工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制zui大工作电流。

 在50Hz的工频条件下,一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端,则流过电容的zui大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA,但在电容器上并不产生功耗,应为如果电容是一个理想电容,则流过电容的电流为虚部电流,它所作的功为无功功率。

 根据这个特点,我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件,则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如,我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联,在接到220V/50Hz的交流电压上,灯泡被点亮,发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA,它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。

  同理,我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上,灯泡同样会被点亮,而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此,电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。

温度影响电容的绝缘电阻。

　　一般情况下，电容的绝缘电阻随温度的升高而降低，绝缘电阻的降低又将导致电容的漏电流增大，所以在正常温度下电容的工作是最稳定的。

　　温度影响电容的容量。

　　电容的容量随温度的变化而变化，在设计精密电容定时电路和由电容决定频率的振荡电路时，应该充分虑到温度对电容容量的影响，否则，所设计的电容定时电路就会定时不准确;振荡电路的振荡频率就会随温度的变化而变化。

选择电容器种类时用。 　　

1、标称电容量(CR)：电容器产品标出的电容量值。 　　云母和陶瓷介质电容器的电容量较低(大约在5000pF以下)；纸、塑料和一些陶瓷介质形式的电容量居中(大约在0005μF10μF)；通常电解电容器的容量较大。这是一个粗略的分类法。 　　

2、类别温度范围：电容器设计所确定的能连续工作的环境温度范围，该范围取决于它相应类别的温度极限值，如上限类别温度、下限类别温度、额定温度(可以连续施加额定电压的zui高环境温度)等。 　　

3、额定电压(UR)：在下限类别温度和额定温度之间的任一温度下，可以连续施加在电容器上的zui大直流电压或zui大交流电压的有效值或脉冲电压的峰值。 　　

电容器应用在高压场合时，必须注意电晕的影响。电晕是由于在介质/电极层之间存在空隙而产生的，它除了可以产生损坏设备的寄生信号外，还会导致电容器介质击穿。在交流或脉动条件下，电晕特别容易发生。对于所有的电容器，在使用中应保证直流电压与交流峰值电压之和不的超过直流电压额定值。 　　

4、损耗角正切(tanδ)：在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率除以电容器的无功功率。 　　

这里需要解释一下，在实际应用中，电容器并不是一个纯电容，其内部还有等效电阻，它的简化等效电路如下图所示。图中C为电容器的实际电容量，Rs是电容器的串联等效电阻，Rp是介质的绝缘电阻，Ro是介质的吸收等效电阻。对于电子设备来说，要求Rs愈小愈好，也就是说要求损耗功率小，其与电容的功率的夹角δ要小。 　　

这个关系用下式来表达： tanδ=Rs/Xc=2πf×c×Rs 因此，在应用当中应注意选择这个参数，避免自身发热过大，以减少设备的失效性。 　　

5、电容器的温度特性：通常是以20℃基准温度的电容量与有关温度的电容量的百分比表示。 　　

6.电容器是最简单的电池，而且有充电快，容量大，等优点。

 led灯具的寿命受电解电容寿命制约，这已经是个不争事实，而市面上充斥着大量的短寿命低劣的电解电容，再加上现在都在拼价，所以一些厂家不顾质量而去采用这些低劣的短寿命电解电容，故此在led市场上就经常出现了各种伪劣产品了。（即使有3.15也无法杜绝）如何提高电解电容寿命呢？    

  电解电容的寿命取决于它工作时的环境温度

电解电容的寿命是怎么定义的呢？当然是以小时定义的。但是如果一个电解电容的寿命指标是1,000小时，并不是说一千小时以后这个电解电容就坏了，不是的，而只是说这个电解电容的容量在1000小时以后容量减小了一半，本来是20uF，现在只有10uF了。

另外，电解电容的寿命指标还有一个特点，是一定要说明在多少度的工作环境温度情况下的寿命。而且通常都是规定为在105℃环境温度下的寿命。

这是因为我们现在常用的电解电容都是采用液态电解液的电解电容，如果电解液干了，电容量当然就没有了。温度越高，电解液就越容易蒸发。所以电解电容的寿命指标必须注明是在什么环境温度下的寿命。

所以目前所有电解电容都是标出在105℃下的寿命。比如说最普通的电解电容，在105℃时的寿命只有1,000小时。但是如果就以为所有电解电容的寿命都只有1,000小时。那就大错特错了。

简单地说，如果环境温度高于105℃，那么它的寿命就会低于1,000小时，如果环境温度低于105℃，那么它的寿命就高于1,000小时。那么寿命和温度之间有没有一个大致的定量关系呢？有的！

有一个最简单而容易计算的关系，那就是环境温度每升高10度，寿命就降低一半；反过来，环境温度每降低10度，寿命就增加一倍。当然这只是一个简单的估算，但也是相当准确的。

因为用于LED驱动电源的电解电容，肯定都是放在LED灯具外壳内部的，所以我们只要知道LED灯具内部的温度就可以知道电解电容的工作寿命了。