確保電解電容器的長使用壽命：LED燈泡案例研究

電解電容器因在LED燈泡等高溫應(yīng)用中壽命短而臭名昭著。仔細(xì)選擇這些設(shè)備并正確解釋其規(guī)格對于確保它們不會影響最終產(chǎn)品的使用壽命至關(guān)重要。本應(yīng)用筆記討論了LED燈泡中電解電容器的這個問題，并提供了分析，展示了如何在此類產(chǎn)品中使用電解電容器。

熱 LED 和短壽命電解電容器

幾年前，我為LED燈泡設(shè)計(jì)了一些設(shè)計(jì)。很早以前，很明顯，這種燈泡中組件的溫度會變得相當(dāng)高。我親自測量了在當(dāng)?shù)亓闶鄣曩徺I的燈泡的組件溫度高達(dá)+130°C?，F(xiàn)在不可否認(rèn)，這些都是早期的LED燈泡設(shè)計(jì)。制造商現(xiàn)在明白，即使這些LED燈泡消耗的功率遠(yuǎn)低于它們所取代的燈泡，它們?nèi)匀槐仨毦哂辛己玫臒峁こ獭＿@是使電子設(shè)備的使用壽命與LED本身的壽命相匹配的唯一方法。

我發(fā)現(xiàn)令人不安的是，這些熱門設(shè)計(jì)中有許多都包含電解電容器，這些電容器因在高溫下壽命短而臭名昭著。我預(yù)計(jì)這些電容器的壽命會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的壽命，并且不允許它們達(dá)到LED本身的30，000至50，000小時的能力。普通電解液在+2000°C下的額定值為5000至85小時，我發(fā)誓不會在任何LED燈泡設(shè)計(jì)中使用電解液。

在與當(dāng)時的LED燈泡制造商交談時，我發(fā)現(xiàn)許多人并不了解電解電容器的局限性。例如，他們通常會指出，他們使用了額定溫度為+105°C的器件，并測量了該器件的溫度為+100°C。 當(dāng)我指出他們的+105°C額定電容只有在+2000°C下工作105小時后才能保證符合規(guī)格時，他們的反應(yīng)常常令人驚訝。

電解帽的溫度和耐久性規(guī)格

了解電解電容器的“耐久性”規(guī)格以及溫度如何影響它非常重要。始終存在與額定溫度相關(guān)的運(yùn)行時間，通常在 1000 到 10，000 小時之間。最高額定溫度通常為+85°C或+105°C。 一個常見且基本有效的經(jīng)驗(yàn)法則是，溫度每降低+2°C，電容器壽命就會增加10倍。相反，溫度每升高 +2°C，壽命就會降低 10 倍。因此，在+100°C時，上述2000小時、額定+105°C電容器的耐久性為21/2× 2000 年，或大約 2，800 小時。即使假設(shè)電容器平均工作在+95°C，其壽命也只會增加到4000小時。這幾乎不是LED燈泡所需的30，000到50，000小時。

因此，毫不奇怪，由于制造商對其電解電容器的額定值存在誤解，許多早期的LED燈泡具有過于樂觀的壽命額定值。我拆開了幾個這樣的燈泡，這些燈泡在運(yùn)行不到 1000 小時后就死了。幾乎所有的電解電容器都失效了。

功率因數(shù)和紋波：權(quán)衡

當(dāng)年更具成本效益的LED燈泡設(shè)計(jì)都使用單級。據(jù)我所知，所有單級架構(gòu)都會產(chǎn)生良好的功率因數(shù)或低輸出120Hz（100Hz）紋波。不是兩者兼而有之...除非您使用至少一個大值電容器。為了使電容器值足夠大，使設(shè)計(jì)能夠同時提供兩者，必須使用電解材料。

當(dāng)時，許多制造商接受具有大量120Hz紋波的產(chǎn)品，只要功率因數(shù)高即可。我做了幾個沒有電解液的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)在LED電流中有很大的120Hz紋波。

終身設(shè)計(jì)

隨著時間的流逝，LED燈泡制造商變得更加復(fù)雜，現(xiàn)在需要低紋波。一個好的解決方案包括兩級設(shè)計(jì)，具有前端功率因數(shù)校正（PFC）電路，然后是單獨(dú)的穩(wěn)壓器，通常是反激式穩(wěn)壓器。對于某些應(yīng)用，兩級設(shè)計(jì)的成本可能令人望而卻步，因此我再次更認(rèn)真地研究了在單級設(shè)計(jì)中使用電解質(zhì)。

通過在許多單級設(shè)計(jì)中添加一個大輸出電容，我們可以同時獲得良好的PFC和更低的輸出紋波。在典型設(shè)計(jì)中，該電容器必須為幾百微法拉，額定電壓范圍為25V至100V，具體取決于所使用的串聯(lián)LED數(shù)量。

幸運(yùn)的是，燈泡制造商也迅速完善了他們的散熱設(shè)計(jì)。隨著時間的推移，LED的功效也得到了提高;消耗的更多電力用于產(chǎn)生光而不是熱量。結(jié)果，燈泡中的組件溫度下降，為我們在組件選擇上提供了更多的“喘息空間”。在 +5000°C 甚至 +7000°C 下額定壽命為 10、000 甚至 105，125 小時的電解液系列相當(dāng)多。 其中許多，特別是+105°C額定部件，并不比常見的2000小時額定部件貴多少。

由于更好的熱條件，我與其他人協(xié)商后決定將電解電容器溫度保持在+90°C或以下。我知道我可以在+7000°C下使用額定值為105小時的設(shè)備。 考慮到溫度變化±2°C的“經(jīng)驗(yàn)法則”因數(shù)為10，我也知道我的電容器可以使用20，000小時。更好，但這還不夠好。我希望這個LED燈泡能持續(xù)30，000到50，000小時。

我決定進(jìn)一步深入研究電解劑“耐久性”等級的含義。我選擇了一臺 330μF、50V 器件，在 +7000°C 下額定工作 105 小時，即 Nichicon UHE1H331MPD，它具有 UCC 制造的“表親”電容器，其規(guī)格幾乎相同，尺寸和尺寸相同，即 EKY-500ELL331MJ25S。?

UCC 數(shù)據(jù)手冊針對耐久性規(guī)格規(guī)定了以下內(nèi)容：

在20°C的指定時間內(nèi)，在施加額定紋波電流（峰值電壓不得超過額定電壓）的直流電壓下，電容器恢復(fù)到105°C時，應(yīng)滿足以下規(guī)格。

電容變化≤ ±初始值的25%

D.F. （tanδ） ≤初始指定值的 200%

漏電流≤初始指定值1

這種描述意味著，如果該器件在+105°C的額定最大紋波電流下工作7000小時，電容的變化將小于25%。同樣，耗散因數(shù)以及ESR也不會超過原始規(guī)格的兩倍。最后，漏電流仍將符合其原始規(guī)格。

這并不完全是那部分生命的終結(jié)。

我構(gòu)建了幾個原型，并在輸出端放置了一個價(jià)值低得多的陶瓷電容器，而我們較大的電解電容器則放在更遠(yuǎn)的地方，它不靠近發(fā)熱組件。我驗(yàn)證了電容器在任何預(yù)期的工作條件下都沒有暴露在超過+90°C的溫度下。

接下來，我計(jì)算了電容器必須處理的紋波電流，并指出如果電容器沒有在全紋波電流下工作，“耐久性”時間會增加。發(fā)生這種情況是因?yàn)榧y波電流會導(dǎo)致自熱。很容易證明，所選電容器的額定值是其將經(jīng)歷的最差紋波電流的幾倍。此外，性能數(shù)據(jù)表明，較低的自發(fā)熱意味著電容器的工作溫度將比承受最大紋波電流時低約+10°C。這一切的結(jié)果是什么？續(xù)航時間翻倍至40，000小時。

但是，還有其他一些事情需要考慮。同樣重要的是，要檢查耐久性規(guī)格所暗示的電容隨時間推移的降低情況。輸出電壓紋波仍然必須足夠低，以滿足功能規(guī)格，電容降低25%，耐久性規(guī)格稱這是最壞的情況。在我的應(yīng)用中，220μF就足夠了，所以我選擇了330μF的器件。

然而，40，000 小時的耐力并不是理想的 50，000 小時。但同樣，請記住，40，000 小時并不是電容器的使用壽命。相反，它是它將降低規(guī)格的點(diǎn)。由于我超標(biāo)了該器件，因此這些降低的規(guī)格不會對電路操作產(chǎn)生不利影響。因此，電容器的運(yùn)行時間應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過調(diào)整后的 40，000 小時額定值。

通過這項(xiàng)分析，我對LED燈泡壽命的保守30，000小時額定值感到滿意。從那以后，我在家里使用了幾個這樣的燈泡超過 3 年（大約 30，000 小時），其中有幾個一直開著。沒有一個失敗。制造商還報(bào)告這些設(shè)計(jì)的使用壽命沒有問題。

審核編輯：郭婷