- 電解電容器的壽命
- 通過電容器技術如何延長LED驅動電路壽命
- 電解電容器在LED驅動電路中的位置與作用
- LED驅動電路需要的電容器的特性
- LED專用的長壽命電解電容器介紹
- 改進電解電容器的性能和壽命是延長LED驅動電路的關鍵
摘要
相對于10萬小時壽命和半永久壽命的半導體器件和無源元件來說，鋁電解電容器是導致LED驅動電路壽命達不到要求的關鍵元件。從成本和壽命兩方面綜合考 慮，如果能做出長壽命電解電容器，使得電解電容器的壽命與LED壽命基本相同，那么，電解電容器這塊LED驅動中短板相關問題就可以得到很好的解決。
前言
LED是一種壽命極長的電光源，使用壽命可以達到10萬小時（約140個月，或者說連續使用11年半！），一般的熒光燈的壽命一般應用不會超過1萬小時。 LED的另一個特點是光效高，實用化的大功率LED的光效已經超過T8熒光燈管。實際的LED燈的實際壽命并不高。在實際應用中，LED燈的實際使用壽命 并不高，甚至有的不到一年就損壞了。
是什么原因造成 LED等的過早損壞？原因在于LED驅動電路的可靠性不高，驅動性能不好。拋開驅動性能不好的因素，LED燈壽命短的根本原因就是驅動電路中的電子原件壽 命遠遠低于LED的壽命。是哪個元件的壽命最短？電解電容器！
電解電容器的壽命
在LED驅動電路中，特別是交流市電驅動LED燈時，LED驅動電路必須要有輸入整流濾波電路和輸出整流濾波電路。輸入整流濾波電路需要相對和大的電容量 才能將整流輸出電壓平滑到允許范圍。輸出整流濾波電路也需要足夠的電容量來維持電路的穩定性和輸出電流的平滑。
最經濟的大電容量電容器唯電解電容器是最佳選擇。電解電容器最大的優點是經濟性好，而最大的弱點是壽命短。
10年前的鋁電解電容器一般為105℃/200小時。這就是說在105℃的溫度條件下的使用壽命只有84天！即使降低到85℃，使用壽命也僅僅為332 天，還不到一年！繼續降低到75℃，壽命也不會超過兩年。
相對于10萬小時壽命和半永久壽命的半導體器件和無源元件來說，鋁電解電容器是導致LED驅動電路壽命達不到要求的關鍵元件。
解決問題的方法
無電解電容器的LED驅動技術
如果用十年前的鋁解電容器技術的觀點看，鋁電解電容器是無法勝任LED等壽命的。解決方法一般為無鋁電解電容器技術，這就是前些年風行的五鋁電解電容器 LED驅動技術的根本原因。但是不能不是的問題是，采用無鋁電解電容器的后果是LED驅動電路的性能下降，間接的導致LED壽命的嚴重不足。
無電解電容器方案存在的問題
首先，無電解電容器方案使得市電整流輸出電壓紋波加大，如果不加以處理就會導致LED輸出電壓紋波的增加。如果LED工作在滿功率狀態，就可能出現市電頻 率下的周期性過電流（或過功率）
.jpg)
圖中可以看到，大功率LED工作電流在0.7A時對應的正向電壓約為3.4V，如果LED端電壓波動0.2V，流過 LED的電流將超過0.95A，對于0.7A的大功率LED，這絕對是一個過功率。最終結果會導致壽命的縮短。[page]
如果工作電流選擇最大額定電流的一半時，盡管不會出現過功率，但是會引起損耗的加大，而且會產生比較大的LED電流變化，會導致如50Hz電感鎮流器驅動 熒光燈那樣的閃爍，甚至會更嚴重。
市電整流濾波電容器的問題
無鋁電解電容器 LED驅動始終避免不了的問題是：平滑電源側整流輸出電壓需要足夠的電容量，而采用薄膜電容器會明顯增加成本，增加體積，不得已而選擇低電容量，這又會輸 得整流輸出電壓紋波電壓變大，特別是像PI的產品，當電容量低于1μF/W就會在變換器輸出產生比較高幅值的紋波電壓，會使得LED閃爍。
輸除整流濾波電容器的電容量選擇過低可能會產生反激式變換器的自激，因此不希望輸出整流濾波電容器過低的電容量，但是非鋁電解電容器的價格又太高。
輸出整流濾波電容量對LED驅動的影響
如果LED驅動電路是反激式變換器，為了實現穩定，需要足夠的電容量。如果電容量不夠會引起電路的寄生振蕩，使得LED嚴重閃爍。
控制IC電源旁路電容器的影響
控制IC電源旁路電容器不僅需要足夠的電容量，還要具有良好的電源旁路性能，如果電容量過小就會引起控制IC電源電壓的波動，從而引起輸出電壓的波動，導 致LED的閃爍。
一、改進電解電容器的性能和壽命是解決LED驅動壽命的最簡捷、最經濟的方法
從成本和壽命兩方面綜合考慮，如果能做出長壽命電解電容器，使得電解電容器的壽命與 LED壽命基本相同，那么，電解電容器這塊LED驅動中短板相關問題就可以得到很好的解決。
低壓電解電容器是問題的關鍵。
相對而言低壓電解電容器獲得105℃1萬小時的壽命要比105℃1萬小時壽命的高壓電解電容器難得多。最主要的原因是低壓電解電容器需要極低的ESR，而 極低的ESR需要大幅度提高電解液的導電率，而大幅度提高電解液電導率的最簡單的辦法就是提高電解液的含水量。所帶來的問題就是“水合”反應的過早出現而 導致電解電容器的早期失效。
國外超長壽命鋁電解電容器的水平
在LED驅動工程師研究無鋁電解電容器LED驅動技術的同時。隨著鋁電解電容器材料和制造技術的提高，鋁電解電容器制造商在努力克服鋁電解電容器壽命的問 題。鋁電解電容器在105℃溫度下率先突破1萬小時的鋁電解電容器制造商是RUBYCON。
最難突破的難點是低壓鋁電解電容器，原因是低壓鋁電解電容器需要很低甚至極低的ESR，而要想獲得極低的ESR，通常的技術就是提高電解液的含水量，所帶 來的問題就是因“水合”反應而導致鋁電解電容器的早期失效，違背了超長壽命的技術要求。RUBYCON對這個問題非常重視，在不斷的探索后推出了比較低含 水率電解液的105℃/1萬小時壽命的低壓鋁電解電容器。
國外及超長壽命鋁電解電容器的水平
105℃萬小時級的低壓鋁電解電容器有RUBYCON的ZLH系列，這是一款高含水率的鋁電解電容器，需要控制、抑制“水合反應”難度很大，因此現在 RUBYCON建議采用相對低一些含水量的XYJ系列替代ZLH系列。
我國高壓鋁電解電容器現狀
經過多年的節能燈用高壓鋁電解電容器應用實踐和改進，國內高壓鋁電解電容器的壽命已經得到和大提高，很多鋁電解電容器制造商已經可以制造出 105℃/10000小時產品，可以滿足3 萬小時以下的LED應用狀態的驅動電路壽命。或者是分離式LED驅動電路的應用中基本滿足LED壽命要求。但是，尚不能滿足5萬小時壽命的LED狀態的驅 動電路的需求。盡管如此，高壓鋁電解電容器還是邁出通向滿足LED應用要求的第一步。國內已經有鋁電解電容器制造商推出5萬小時LED壽命的高壓鋁電解電 容器。
低壓鋁電解電容器的現狀
LED驅動應用中的低壓鋁電解電容器要求具有盡可能低的ESR、超長壽命、超長時間的電容量穩定性。目前國內大多數鋁電解電容器制造商（包括我國臺灣地區 的鋁電解電容器制造商）多數為105℃/5000~6000小時，對應LED應用狀態，大約為1~2萬小時，這個小時數遠不能滿足 LED驅動要求。
高壓電解電容器與低壓電解電容器壽命差異所產生的沖突
在LED驅動電路中，決定壽命的是壽命最短的元器件。因而即使高壓鋁電解電容器的壽命問題得到解決，而低壓鋁電解電容器壽命得不到解決，最終LED驅動電 路的壽命還是短的。所以105℃/1萬小時低壓鋁電解電容器成為LED驅動電路中的關鍵。那么，為什么低壓鋁電解電容器的長壽命就那么難？[page]
低壓鋁電解電容器存在的問題
低壓鋁電解電容器存在的最大問題就是因“水合”反應導致早期失效。最聞名的低壓鋁電解電容器因“水合”反應的事件有：
① 戴爾電腦主板鋁電解電容器“爆漿”，戴爾賠償客戶3億美元，而鋁電解電容器制造商賠償戴爾20億美元！這款鋁電解電容器是日本著名電容器制造商的產品。
② 三星視頻終端在英國世界杯的鋁電解電容器“爆漿”，電容器制造商最終被三星電子從采購目錄中刪除。這是我國某著名鋁電解電容器制造商的產品；該產品還導致 了一些不大不小的因“水合”反應導致的鋁電解電容器早期失效。造成用戶嚴重的經濟損失—被索賠。
水合反應的后果
水合反應會在鋁電解電容器的負極箔表面形成電阻率非常高的鋁水合物。隨著鋁水合物的增長負極箔的電阻越來越大，在紋波電流作用下電解電容器的發熱就會更加 劇烈，最終導致鋁電解電容器爆漿。如果是多個電容器并聯使用，會出現首先第一個爆漿，不久就是第二個、第三個…
.jpg)
水合反應堆解電容器爆漿的特點
ESR數千倍的增加、電容量喪失殆盡、負極箔比容急劇降低、在顯微鏡下看會發現負極箔的“孔”基本被堵塞。將電解電容器拆解會看到至少是負極箔與電容器紙 相粘連，甚至整個正負極箔與電容器紙相粘連。有些電解電容器制造商回復客戶時也說上述問題，但是說是客戶使用溫度高造成，不承認是電容器的品質問題。
負極箔比容下降：材料分析：取解剖的正負鋁箔，測試鋁箔耐壓值。1000μF/16V：正箔耐壓下降為19.32V(SPEC≥22.0V)，比容為 52.49μF/cm2（49.82≤SPEC≤59.36μF/cm2）；負箔耐壓正常為1.74V(SPEC≥1.5V)，比容下降為250 μF/cm2（SPEC≥340 μF/cm2）。
.jpg)
由于用戶沒有辦法將水合反應的早期失效作為電解電容器早期失效的證據向電解電容器制造商索賠。只有通過第三方測試電解電容器存在早期失效問題才能作為電解 電容器早期失效證據向電解電容器制造商索賠。
如何鑒別早期失效？
將可疑的電容器置于額定溫度、額定電壓、額定紋波電流條件下測試，如果沒有達到廠商規定的壽命小時數（通常差距很大）就可以判定是早期失效。需要注意的是 電解電容器的出廠批號一定和出問題是同一批次。常有電解電容器制造商在不同的批次用不同的電解液來改善水合反應問題。[page]
“水合”反應是影響低壓鋁電解電容器壽命的最大障礙
為什么低壓鋁電解電容器會出現“水合”反應？這是由于低壓鋁電解電容器應用的特殊性：
主要應用領域：開關電源輸出整流濾波，電腦主板電源旁路，LED驅動電路的輸出整流濾波。
電腦主板、開關電源、LED驅動對低壓鋁電解電容器的特性要求：
盡可能低的ESR，由于電解液電導率的限制，常規低壓鋁電解電容器的ESR不可能做得極低。為了實現極低的ESR，最簡單的辦法就是提高電解液的含水率， 含水率越高越有可能導致“水合”反應的早期失效，大家電容器制造商絞盡腦汁抑制高含水率電解液電解電容器的“水合”反應，這也是低壓鋁電解電容器技術壁壘 之一。
不僅如此，制造高含水率電解電容器時需要極其嚴格的控制整個制造過程，稍有不慎，就會導致產品的“水合”反應的早期失效。甚至最早掌握抗“水合”反應的日 本電解電容器制造商也很回避高含水率電解電容器。通常使用較低含水率的新款替代高含水率的電解電容器。
采用新技術來實現真正的超長壽命低壓鋁電解電容器
低壓電解電容器要想實現105℃溫度條件下萬小時級，從產品質量控制和產品一致性角度考慮，應避開高含水率電解液。轉而采用其它高新技術。
主要有高品質的較低含水率的電解液、新型腐蝕箔結構及其相關技術；嚴格的生產質量管理，如生產環境的潔凈度、避免氯離子進入生產環節（如生產操作者呼吸排 出的氯離子等）、如何避免水分進入電解電容器的芯子等
通過上述新技術、新材料和先進的生產管理措施的實施，采用較低含水率電解液的低壓鋁電解電容器完全可以獲得105℃/1萬小時的壽命。如RUBYCON的 YXJ系列和我國的LKF系列。我國生產的LKF系列性能參數與RUBYCON的YXJ系列參數除體積稍大外，其他參數是一樣的，甚至某些參數還超過 RUBYCON的YXJ系列的參數。完全可以替代RUBYCON的YXJ系列。
相對于高含水量電解液的低壓鋁電解電容器，新型較低含水量的低壓鋁電解電容器的性能差一僅僅在于ESR稍大。例如同樣是470μF/25V規 格，RUBYCON的ZLH系列高含水率鋁電解電容器的ESR僅為39mΩ，而較低含水率的YXJ系列低壓鋁電解電容器的ESR為80mΩ。對于 470μF/25V規格的80mΩESR在應用上是沒有問題的，沒有必要非用39mΩ。
問題的解決
通過采用較低含水率電解液的低壓鋁電解電容器解決了低壓、低阻鋁電解電容器因 “水合”反應所導致的早期失效問題。徹底避開因抗“水合”反應技術與工藝導致的產品價格的提高；確保了產品的一致性和穩定性。在超長壽命的低壓鋁電解電容 器系列中。較低含水率低壓鋁電解電容器的價格要低于高含水率低壓鋁電解電容器。
5萬小時的LED驅動使用壽命徹底解決了因鋁電解電容器壽命問題而導致的LED燈壽命明顯低于LED壽命的問題，徹底解決了鋁電解電容器這塊影響LED驅 動壽命的短板。
二、電解電容器在LED驅動電路中的位置與作用
.jpg)
電解電容器的特點
電解電容器是各類電解電容器中最便宜的，因此常應用于需要足夠電容量的單相整流濾波和DC/DC變換器或AC/DC變換器輸出濾波電容器。
LED驅動電路實際上是開關電源的特例，也就是需要限壓恒流的開關電源。由于LED照明需要散熱器，因此LED驅動電路往往需要做成隔離型變換器。對于小 功率LED驅動電路，為了降低成本，往往做成反激式開關電源。
如果將驅動電路與LED做在一體，驅動電路將工作在高溫狀態，需要各元件能夠承受高溫。LED壽命很長，可達數萬小時，驅動電路也應滿足這個要求，影響 LED驅動電路的關鍵元件是電解電容器。相對節能燈電容器，體積要小。小體積需要具有更高品質的鋁箔、電解液，體現了鋁電解電容器制造核心技術的提升。[page]
三、LED驅動電路需要的電容器的特性
LED驅動電路中需要電解電容器的地方為：
① 輸入整流濾波
② 輸出整流濾波
③ 控制IC電源旁路
3.1 輸入整流濾波
輸入整流濾波電容器的作用：
① 平滑輸入整流電壓
② 吸收來自整流電路產生的紋波電流
③ 吸收來自LED驅動電路產生的紋波電流
① 平滑輸入電壓
將輸入整流濾波電壓平滑到平均值的20%（交流176V整流后為200V，40V的紋波電壓峰-峰值）需要1μF/W的電容量，如此大的電容量在低成本要 求下只有電解電容器能滿足要求。
② 來自整流電路產生的紋波電流
在濾波電容器的電容量選擇1μF/W時，對應的濾波角頻率為15.2弧度/秒。在整流濾波電容器的特性曲線上可以得到：流過電容器的電流幾乎為整流輸出平 均值電流的約3倍！是交流輸入電流有效值的約1.5倍。或者以輸出功率計算約為7mA/W。考慮效率等綜合因素，可以近似為10mA/W也可以近似理解為 每位法電容量需要約10mA的工頻紋波電流。除此之外，輸入整流濾波電容器還要吸收來自LED驅動電路產生的紋波電流
③ 來自LED驅動電路產生的紋波電流
一般小功率LED驅動電路多采用反激式變換器電路拓撲，并且在220V電壓等級時為電流斷續型。在這種狀態下，反激式變換器向整流輸出索取的電流是斷續的 鋸齒波，其交流成分需要有濾波電容起吸收，按占空比為0.4計算。每輸出 1W功率需要10mA有效值電流。綜合考慮，每μF需要約15mA 有效值電流。
3.1輸出整流濾波
反激式變換器的輸出整流濾波電容器也將流過比較大的電流。從穩定性角度考慮，也需要比較大的電容量。
這就要求輸出整流濾波電容器不僅需要比較大的電容量，還要具有比較大的紋波電流承受能力。對輸出整流濾波電容器的要求足夠的電容量電容量過低會導致反激式 變換器變得不穩定。很顯然電解電容器是最佳的選擇；
足夠的紋波電流承受能力，要求電容器具有極低的ESR。如果采用電解電容器就需要選用極低ESR電解電容器。
輸出濾波電容器流過的電流
正常設計出來的反激式變換器，輸出整流二極管導通的占空比約為0.5，對應的濾波電容器流過的電流為輸出電流平均值的120%。就是說輸出1A平均值電 流，濾波電容器就要流過1.2A的有效值電流。
3.2控制IC電源旁路電容器
控制IC電源旁路電容器同樣要求具有LED應用狀態的5萬小時壽命，其中電容量的穩定性是至關重要的，關系到控制IC的電源電壓是否平滑，以盡可能的減少 對LED驅動電路輸出的影響。
盡管這款電解電容器的電容量不大，體積很小，也沒有多大的紋波電流流過。但是卻需要長期穩定的電容量。特別是小體積更不利于超長壽命特性。
四、LED專用的長壽命電解電容器
日本RUBYCON推出ZLH、YXJ系列低壓電解電容器和BXA、BXC系列高壓長壽命電解電容器，直徑10mm的電解電容器可以達到105℃/1萬小 時。按理論推算，在75℃環境下可以達到8萬小時。考慮其他影響因素，達到75℃/5 萬小時壽命沒有問題，這就與LED壽命相吻合。影響LED驅動電路的最后一塊短板被去掉了，也許就不一定非要無電解電容器的LED驅動電路了。
我國是否也有長壽命電解電容器？
我國電解電容器制造商推出LKF、LKG系列高、低壓LED專用長壽命電解電容器。
與RUBYCON的壽命對比實驗結果如下：
高壓電解電容器壽命實驗的測試條件實驗條件：溫度:125℃；直流電壓:351.0VDC；交流電壓34.6VAC；紋波電流：88mA；電 源：50HZ。實驗目的：耐久試驗驗證壽命時間。試驗時間:2010.4.7 15:20----2010.8.18 13:30（2500H)終止。
對105℃電解電容器做125℃高溫壽命測試，很顯然這是一個加速實驗的方法。[page]
6.8μF/400V高壓電解電容器壽命試驗數據
.jpg)
低壓電解電容器的壽命測試
實驗條件：溫度:105℃；直流電壓：21.0VDC；交流電壓：2.8VAC；紋波電流：665mA；電源：120HZ。實驗目的:耐久試驗驗證壽命： 試驗時間: 2009.10.10 13：00----2010.12.20.15:30（10000H)終止
[page]結論
國產6.8μF/400V /φ10*17 LKG電解電容器與Rubycon：6.8/400 10*16 BXA的壽命測試基本一致，壽命均達到105℃/1萬小時。
國產470μF/25V/φ10*17mm的LKG電解電容器與Rubycon：470μF/25V/φ10*16mm 的BXA的壽命測試基本一致，壽命均達到105℃/1萬小時。除尺寸稍大一點點外，國產長壽命電解電容器可以用于長壽命LED驅動電路中。基于多年的技術 和研發的基礎，國產鋁電解電容器制造商已經推出與RUBYCON體積相同、性能相同的替代產品。
RUBYCON電解電容器的發展
RUBYCON的 ZLH系列低壓電解電容器的ESR極低，是高水系電解電容器，需要非常好的抗水合反應制造技術，當然其價格也會比較高。因此RUBYCON新推出YXJ系 列低ESR電解電容器，是非高水系電解電容器，這樣可以避免高水系電解液帶來的水合反應控制的難度，同時也降低成本。然而所帶來的問題就是ESR要比 ZLH系列高近一倍，而且與國產LKF、LKG系列的水平基本一致。
RUBYCON的高壓BXA系列由于含水量高，建議使用BXC系列。但是BXC系列的損耗因數將略大于BXA系列。這就是長壽命電解電容器的可靠性與高性 能之間的折中結果。同時低壓的YXJ也是ZLH的替代產品，這些都體現了高含水率逐漸被新工藝材料、新制造技術的常規含水鋁電解電容器所替代。
這對于我國電解電容器制造商來說是個機遇，應該抓住這個機遇，發展出我國的長壽命LED驅動電路驅動用電解電容器。
