客戶端電解電容器不良應用案例分析

李俊赤

（廣東聯盈控電子科技公司 廣東省東莞市 523000）

1 電流占空比過小

某5V/1A 適配器，反激式拓撲。輸出濾波電解為某高頻低阻電解680μF/10V（額定紋波電流710mA）。在0.4A 電流下，濾波電解會出現較高早期失效（凸底）。

1.1 輸出電容器電流波形分析

反激式開關電源輸出二極管與輸出濾波電容器電流波形如圖1所示。

占空比各為0.5 是最佳狀態，當D'為0.5 時，根據公式（2）：ICOrms=1.29IOav。為減小電流，可增大D'，綜合各種因素，增加到0.6比較合適，ICOrms=1.11IOav。

1.2 實際測試結果

（1）測試結果占空比和流過電容器電流。輸出電流1A、輸出電壓5.26V 時。如圖2。

對應的二極管占空比為0.34～0.4，遠低于正常設計的0.5～0.6。占空比為0.4 時：

占空比0.5 時，電解電流有效值與平均值：

顯然，無論是占空比為0.4 還是0.34，流過電容器的有效值電流均明顯高于占空比為0.5～0.6 的工作狀態下流過電容器的電流。交流輸入電壓100V 時電容器電流波形如圖3。

圖中顯示，流過輸出電容器的紋波電流為1.68A，理論分析的1.53～1.71A 吻合。

如選用某品牌的680μF/10V 電解（額定紋波電流為710mA），實際電流值為額定電流值的237%。電解外殼溫升15℃，環境溫度15℃電解外殼溫度30℃，芯包溫升約22℃。這個溫升與過電流狀態基本相符。

（2）測試結果占空比和流過電容器電流。測試條件：輸出電流0.4A，輸出電壓5.26V。流過濾波電解的紋波電流如圖4。

在輸出電流均值0.4A下，流過輸出電容紋波電流為1.04～1.08A。顯然流過輸出電解的紋波電流是電解自身紋波電流的比值為1.48，過流1.48 倍。輸出電解早期失效成為必然。

原因：輸出二極管占空比太低，僅0.17，導致輸出電解電流脈寬過窄、峰值過高，造成流過輸出電解電流有效值是輸出電流均值的2.5 倍。

從兩個測試結果看判定參數不合理，需改變參數，使二極管導通占空比達到0.5～0.6。在0.4A 時，流過電解的有效值電流不高于0.65A 低于額定電流0.71A。

1.3 結論與建議

電解的峰值過流是早期失效的根本原因，提議修改設計參數。

圖1：反激式開關電源輸出二極管與輸出濾波電容器電流波形

圖3：交流輸入電壓100V 時電容器電流波形

圖4：流過濾波電解的紋波電流

圖5：案例電路圖

2 電容量選擇過低

某5V/2A 電源適配器，反激式拓撲。輸出濾波電解為某高頻低阻電解電容器，470μF/10V（額定紋波電流710mA）。輸出濾波電解出現比較較高的早期失效（凸底）。

2.1 失效電容器所在位置（圖5）

從圖5 中看到，C9 電解凸底失效，其他電解正常。

2.2 失效電容器工作狀態分析

C9 與C10 用電感相連接。電感抑制電流突變：C9 吸收整流器的交流成分，利用電容抑制電壓變化性能，將輸出整流器的輸出電壓變化得到有效抑制；由于電路拓撲自身特性以及電容C9 實際性能限制，輸出電壓變化幅度仍不能達到性能要求，主要是窄脈沖電壓變化。需要通過L2 和C10 構成的LC 濾波電路進一步降低電壓變化，使其滿足性能要求。交流成分多數流入C9，流入C10 的交流成分很小。當輸出為2A，流入電C9 的電流有效值在2～2.4A。

2.3 流入電容器C9的有效值電流

測試條件：輸出電流2A。實際測試得到的電流波性及數據如圖6。

圖6

從圖6 中可以看到，流入C9 的電流有效值為2.22A。電路工作狀態比較合理。

2.4 電容器C9的參數與過載倍數

該適配器中，電容器C9、C10 均選擇470μF/10V，100kHz 條件下的額定紋波電流承受能力為0.76A。遠低于實際流入C9 的有效值電流，為34%。或者實際工作電流是C9 額定電流的292%，即便是半載工作條件下也接近150%的過載狀態。

電解的壽命隨工作溫度的升高和流入的電流有效值的加大而縮短，如圖7 為某導針時電解電容器的溫度、電流與壽命曲線。

圖7：某電解電容器溫度、電流與壽命曲線

這是一款最高工作溫度為105℃，壽命4000 小時的電解電容器。

圖7 中，陰影部分為禁止工作區，也就是一旦進入該區域，電解壽命將無法保證。

圖7 中還描述了，隨著流過電解紋波電流增加，電解的壽命隨著減少，特別是流進電解電容器的紋波電流高于電解的額定電流后，電解的壽命的衰減速率將急劇增加。一旦流入電解紋波電流超過額定電流的150%，電解的早期失效成為必然。

2.5 C9與C10的電流分配關系

通常輸出電流2A 的反激式電源，輸出濾波電容器選用兩只電容量適當的電解電容器并聯，以獲得性能和成本的折中。如圖8。

圖8：采用兩只并聯輸出濾波電容器

在輸出電流平均值為2A 狀態下，輸出電容C91 和C92 流過的電流波形如圖。電流有效值為1.2A 和1.14A。由于C10 與C9 之間用電感連接，由于電感的一直電流變化作用阻礙了輸出整流器輸出的交流電流成分流入C10，因此流入C10 的電流遠小于流入C9 的電流。

3 結論

電源工作模式不當會導致即便電解電容器參數選擇合理，也會出現電解嚴重過電流導致早期失效；參數選擇不當會因電解額定電流小于實際造成過流，也會導致電解早期失效。