電解電容器是開關(guān)電源中一次和二次回路濾波電路中最重要的器件之一。通常，電解電容器的等效電路可以認(rèn)為是理想電容器與寄生電感、等效串聯(lián)電阻的串聯(lián)，如圖1所示。 

圖1：電解電容器的等效電路

  眾所周知，開關(guān)電源是當(dāng)今信息家電設(shè)備的主要電源，為電子設(shè)備小型輕便化作出不可磨滅的貢獻(xiàn)。開關(guān)電源不斷的小型化、輕量化和高效率，在電子設(shè)備中使用量越來越大，普及率越來越高。相應(yīng)的就要求電解電容器小型大容量化，耐紋波電流，高頻低阻抗化，高溫度長(zhǎng)壽命化和更適應(yīng)高密度組裝。

1 電容量與體積 

由于電解電容器多數(shù)采用卷繞結(jié)構(gòu)，很容易擴(kuò)大體積，因此單位體積電容量非常大，比其它電容大幾倍到幾十倍。但是大電容量的獲取是以體積的擴(kuò)大為代價(jià)的，現(xiàn)代開關(guān)電源要求越來越高的效率，越來越小的體積，因此，有必要尋求新的解決辦法，來獲得大電容量、小體積的電容器。

       在開關(guān)電源的原邊一旦采用有源濾波器電路，則鋁電解電容器的使用環(huán)境變得比以前更為嚴(yán)酷：

（1）高頻脈沖電流主要是20 kHz~100kHz的脈動(dòng)電流，而且大幅度增加；

（2）變換器的主開關(guān)管發(fā)熱，導(dǎo)致鋁電解電容器的周圍溫度升高；

（3）變換器多采用升壓電路，因此要求耐高壓的鋁電解電容器。這樣一來，利用以往技術(shù)制造的鋁電解電容器，由于要吸收比以往更大的脈動(dòng)電流，不得不選擇大尺寸的電容器。結(jié)果，使電源的體積龐大，難以用于小型化的電子設(shè)備。為了解決這些難題，必須研究與開發(fā)一種新型的電解電容器，體積小、耐高壓，并且允許流過大量高頻脈沖電流。另外，這種電解電容器，在高溫環(huán)境下工作，工作壽命還須比較長(zhǎng)。

2 承受溫度與壽命

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)過程中，不可避免地要挑選適用的電容。就100μF以上的中、大容量產(chǎn)品來說，因?yàn)殇X電解電容的價(jià)格便宜，所以，迄今使用的最為廣泛。但是, 最近幾年卻發(fā)生了顯著變化，避免使用鋁電解電容的情況正在增加。 出現(xiàn)這種變化的一個(gè)原因是，鋁電解電容的壽命往往會(huì)成為整個(gè)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。電源模塊制造廠家的工程師表示：“對(duì)于鋁電解電容這種壽命有限的元件，如果可以不用, 就盡量不要采用。”因?yàn)殇X電解電容內(nèi)部的電解液會(huì)蒸發(fā)或產(chǎn)生化學(xué)變化，導(dǎo)致靜電容量減少或等效串聯(lián)電阻(ESR)增大, 隨著時(shí)間的推移，電容性能肯定會(huì)劣化。 

       電解電容器的壽命與電容器長(zhǎng)期工作的環(huán)境溫度有直接關(guān)系，溫度越高，電容器的壽命越短。普通的電解電容器在環(huán)境溫度為90℃時(shí)已經(jīng)損壞。但是現(xiàn)在有很多種類的電解電容器的工作環(huán)境溫度已經(jīng)很高在環(huán)境溫度為90℃，通過電解電容器的交流電流和額定脈沖電流的比為0.5時(shí)，壽命仍然為10000h，但是如果溫度上升到95℃時(shí)，電解電容器即已經(jīng)損壞。因此，在選擇電容器的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)具體的環(huán)境溫度和其它的參數(shù)指標(biāo)來選定，如果忽略了環(huán)境溫度對(duì)電容器壽命的影響，那么電源工作的可靠性、穩(wěn)定性將大大降低，甚至損壞設(shè)備和儀器。就一般情況而言，電解電容器工作在環(huán)境溫度為80℃時(shí)，一般能達(dá)到10000h壽命的要求。 

      另一方面，電解電容器的壽命還與電容器長(zhǎng)時(shí)間工作的交流電流與額定脈沖電流（一般是指在85℃的環(huán)境溫度下測(cè)試值，但是有一些耐高溫的電解電容器是在125℃時(shí)測(cè)試的數(shù)據(jù)）的比值有關(guān)。一般說來，這個(gè)比值越大，電解電容器的壽命越短，當(dāng)流過電解電容器的電流為額定電流的3.8倍時(shí)，電解電容器一般都已經(jīng)損壞。所以，電解電容器有它的安全工作區(qū)，對(duì)于一般應(yīng)用，當(dāng)交流電流與額定脈沖電流的比值在3.0倍以下時(shí)，對(duì)于壽命的要求已經(jīng)滿足。環(huán)境溫度和紋波電流對(duì)電解電容器的影響如圖2所示。 

圖2 某鋁電解電容器的壽命與溫度、紋波電流的關(guān)系

3 頻率特性與阻抗

對(duì)于中小輸出功率開關(guān)電源的工作頻率除少數(shù)因價(jià)格限制而仍采用20~40kHz外，大多數(shù)均在50kHz以上；DC/DC電源模塊大多在300kHz以上；大功率開關(guān)電源的開關(guān)頻率受主開關(guān)（一般采用IGBT）的開關(guān)速度限制而一般在20~40kHz。盡管開關(guān)頻率有所不同，但是開關(guān)電源的輸出整流濾波電容器的作用基本相同，主要是通過利用濾波電容器吸收開關(guān)頻率及其高次諧波頻率的電流分量而濾除其紋波電壓分量。 

在開關(guān)電源輸出端用的濾波電容，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，在工頻電路中用作濾波的普通電解電容器，其上的脈動(dòng)電壓頻率僅有100Hz，充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí)，為獲得較小的脈動(dòng)系數(shù)，需要的電容量高達(dá)數(shù)十萬微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造目標(biāo)是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。在開關(guān)穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，由于大多數(shù)的開關(guān)電源工作在方波或矩形波的狀態(tài)，含有及其豐富的高次諧波電壓與電流，其上鋸齒波電壓的頻率高達(dá)數(shù)十千赫，甚至數(shù)十兆赫，它的要求和低頻應(yīng)用時(shí)不同，電容量并不是主要指標(biāo)，衡量它好壞的則是它的阻抗頻率特性，如圖3所示。

圖3 某47μF/350V鋁電解電容器的阻抗頻率特性

由圖可知，隨著頻率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并相互抵消時(shí)的頻率為鋁電解電容器的諧振頻率，這時(shí)的阻抗最低，僅剩下ESR。如果ESR為零，則這時(shí)的阻抗也為零；頻率繼續(xù)上升，感抗開始大于容抗，當(dāng)感抗接近于ESR時(shí)，阻抗頻率特性開始上升，呈感性，從這個(gè)頻率開始以上的頻率下電容器時(shí)間上就是一個(gè)電感。由于制造工藝的原因，電容量越大，寄生電感也越大，諧振頻率也越低，電容器呈感性的頻率也越低。這就要求它在開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻段內(nèi)要有低的等效阻抗，同時(shí)，對(duì)于電源內(nèi)部，由于半導(dǎo)體器件開始工作所產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百千赫的尖峰噪聲，亦能有良好的濾波作用，一般低頻用普通電解電容器在10kHz左右，其阻抗便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關(guān)電源使用要求。 

用于開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz甚至500kHz時(shí)仍不呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。電解電容器ESR較低，能有效地濾除開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。而普通電解電容器在100kHz后就開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，用于開關(guān)電源輸出整流濾波效果相對(duì)較差。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，普通CDII型中4700μF,16V電解電容器，用于開關(guān)電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF型4700μF,16V高頻電解電容器的低，同時(shí)普通電解電容器溫升相對(duì)較高。當(dāng)負(fù)載為突變情況時(shí)，用普通電解電容器的瞬態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)不如高頻電解電容器。 

開關(guān)電源為了高效率而提高了工作頻率的高頻化，特別是小型高輸出開關(guān)電源中輸入濾波用電容器要求高紋波性，輸出端低阻抗化。要使輸出濾波用電容器在高頻下低阻抗化，必須降低等效串聯(lián)電阻。

4、紋波電流耐受度

表1 各種開關(guān)變換器電路拓?fù)涞恼鳛V波的紋波電流和開關(guān)變換電流

就平板電視來說，為了能承受大電流，就需要進(jìn)一步降低電容的ESR。其原因是，在數(shù)字設(shè)備中，隨著功能的增加，電路的電流有越來越大的趨勢(shì)。對(duì)于在液晶電視中進(jìn)行MPEG編解碼工作的圖像處理電路來說，2006年一塊芯片中電源電路的電流約為3A。據(jù)有關(guān)人士預(yù)測(cè)稱，為了應(yīng)對(duì)全H D (全高清等要求而增大電路的規(guī)模以后，芯片中的電流將增加到5A 左右，而且在2008 年前后將會(huì)達(dá)到8A~9A。 

如果ESR小，則在有大電流流動(dòng)時(shí)，電容輸出電壓的下降量也小。伴隨著電流增大而來的降低ESR的要求，有可能成為推進(jìn)電容替換進(jìn)程的主要原因。相對(duì)于鋁電解電容將近1Ω的ESR來說，多層陶瓷電容的ESR很小，還不到10mΩ。導(dǎo)電性高分子電容的ESR通常為幾十mΩ，ESR比較小的則在10mΩ以下。鋁電解電容也在開發(fā)ESR比較小的品, 其ESR大約是一般產(chǎn)品的1/2~1/3。

5、可靠性高低

開關(guān)電源是一種采用開關(guān)式控制的直流穩(wěn)壓電源，它以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備、家用電器、計(jì)算機(jī)及其終端設(shè)備。作為輸入濾波和平滑作用的鋁電解電容器，它的質(zhì)量和可靠性直接影響到開關(guān)電源的可靠性。一旦鋁電解電容器失效，就會(huì)導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓電源的故障。 
         開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器的失效模式有擊穿失效、開路失效、漏液失效及電參數(shù)超差失效。其中擊穿失效又分為介質(zhì)擊穿和熱擊穿，對(duì)于大功率和大電流輸出的開關(guān)電源用電解電容器，熱擊穿失效常占一定比例；電腐蝕導(dǎo)致鋁引出條斷裂和電容器芯子干涸，使開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器開路失效的主要失效模式；漏液是開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器常見的失效模式，由于使用環(huán)境及工作狀態(tài)較嚴(yán)酷，常發(fā)生漏液失效；開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器在使用中最常見的失效模式是電容量減少、漏電流增大及損耗角正切值增大。

6、總結(jié)

在電子線路中電解電容器是必不可少的，而且，隨著電子設(shè)備的小型化，越來越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐壓性能、無鉛化，這也是電解電容器今后的發(fā)展方向。小型化、大容量化的電容器可以通過使用鈮、鈦等新型介電材料及結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)來達(dá)到。而低ESR、低ESL化可以通過新型電解質(zhì)的開發(fā)優(yōu)化工藝及構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)產(chǎn)品將向更高的電壓方向發(fā)展。 在發(fā)展日新月異的信息技術(shù)領(lǐng)域，電容器將始終是關(guān)鍵元件之一，我們將應(yīng)用新技術(shù)、新材料不斷地開發(fā)出順應(yīng)信息時(shí)代需求的高性能電容器。