客户端电解电容器不良应用案例分析

李俊赤

（广东联盈控电子科技公司 广东省东莞市 523000）

1 电流占空比过小

某5V/1A 适配器，反激式拓扑。输出滤波电解为某高频低阻电解680μF/10V（额定纹波电流710mA）。在0.4A 电流下，滤波电解会出现较高早期失效（凸底）。

1.1 输出电容器电流波形分析

反激式开关电源输出二极管与输出滤波电容器电流波形如图1所示。

占空比各为0.5 是最佳状态，当D'为0.5 时，根据公式（2）：ICOrms=1.29IOav。为减小电流，可增大D'，综合各种因素，增加到0.6比较合适，ICOrms=1.11IOav。

1.2 实际测试结果

（1）测试结果占空比和流过电容器电流。输出电流1A、输出电压5.26V 时。如图2。

对应的二极管占空比为0.34～0.4，远低于正常设计的0.5～0.6。占空比为0.4 时：

占空比0.5 时，电解电流有效值与平均值：

显然，无论是占空比为0.4 还是0.34，流过电容器的有效值电流均明显高于占空比为0.5～0.6 的工作状态下流过电容器的电流。交流输入电压100V 时电容器电流波形如图3。

图中显示，流过输出电容器的纹波电流为1.68A，理论分析的1.53～1.71A 吻合。

如选用某品牌的680μF/10V 电解（额定纹波电流为710mA），实际电流值为额定电流值的237%。电解外壳温升15℃，环境温度15℃电解外壳温度30℃，芯包温升约22℃。这个温升与过电流状态基本相符。

（2）测试结果占空比和流过电容器电流。测试条件：输出电流0.4A，输出电压5.26V。流过滤波电解的纹波电流如图4。

在输出电流均值0.4A下，流过输出电容纹波电流为1.04～1.08A。显然流过输出电解的纹波电流是电解自身纹波电流的比值为1.48，过流1.48 倍。输出电解早期失效成为必然。

原因：输出二极管占空比太低，仅0.17，导致输出电解电流脉宽过窄、峰值过高，造成流过输出电解电流有效值是输出电流均值的2.5 倍。

从两个测试结果看判定参数不合理，需改变参数，使二极管导通占空比达到0.5～0.6。在0.4A 时，流过电解的有效值电流不高于0.65A 低于额定电流0.71A。

1.3 结论与建议

电解的峰值过流是早期失效的根本原因，提议修改设计参数。

图1：反激式开关电源输出二极管与输出滤波电容器电流波形

图3：交流输入电压100V 时电容器电流波形

图4：流过滤波电解的纹波电流

图5：案例电路图

2 电容量选择过低

某5V/2A 电源适配器，反激式拓扑。输出滤波电解为某高频低阻电解电容器，470μF/10V（额定纹波电流710mA）。输出滤波电解出现比较较高的早期失效（凸底）。

2.1 失效电容器所在位置（图5）

从图5 中看到，C9 电解凸底失效，其他电解正常。

2.2 失效电容器工作状态分析

C9 与C10 用电感相连接。电感抑制电流突变：C9 吸收整流器的交流成分，利用电容抑制电压变化性能，将输出整流器的输出电压变化得到有效抑制；由于电路拓扑自身特性以及电容C9 实际性能限制，输出电压变化幅度仍不能达到性能要求，主要是窄脉冲电压变化。需要通过L2 和C10 构成的LC 滤波电路进一步降低电压变化，使其满足性能要求。交流成分多数流入C9，流入C10 的交流成分很小。当输出为2A，流入电C9 的电流有效值在2～2.4A。

2.3 流入电容器C9的有效值电流

测试条件：输出电流2A。实际测试得到的电流波性及数据如图6。

图6

从图6 中可以看到，流入C9 的电流有效值为2.22A。电路工作状态比较合理。

2.4 电容器C9的参数与过载倍数

该适配器中，电容器C9、C10 均选择470μF/10V，100kHz 条件下的额定纹波电流承受能力为0.76A。远低于实际流入C9 的有效值电流，为34%。或者实际工作电流是C9 额定电流的292%，即便是半载工作条件下也接近150%的过载状态。

电解的寿命随工作温度的升高和流入的电流有效值的加大而缩短，如图7 为某导针时电解电容器的温度、电流与寿命曲线。

图7：某电解电容器温度、电流与寿命曲线

这是一款最高工作温度为105℃，寿命4000 小时的电解电容器。

图7 中，阴影部分为禁止工作区，也就是一旦进入该区域，电解寿命将无法保证。

图7 中还描述了，随着流过电解纹波电流增加，电解的寿命随着减少，特别是流进电解电容器的纹波电流高于电解的额定电流后，电解的寿命的衰减速率将急剧增加。一旦流入电解纹波电流超过额定电流的150%，电解的早期失效成为必然。

2.5 C9与C10的电流分配关系

通常输出电流2A 的反激式电源，输出滤波电容器选用两只电容量适当的电解电容器并联，以获得性能和成本的折中。如图8。

图8：采用两只并联输出滤波电容器

在输出电流平均值为2A 状态下，输出电容C91 和C92 流过的电流波形如图。电流有效值为1.2A 和1.14A。由于C10 与C9 之间用电感连接，由于电感的一直电流变化作用阻碍了输出整流器输出的交流电流成分流入C10，因此流入C10 的电流远小于流入C9 的电流。

3 结论

电源工作模式不当会导致即便电解电容器参数选择合理，也会出现电解严重过电流导致早期失效；参数选择不当会因电解额定电流小于实际造成过流，也会导致电解早期失效。