电解电容器的两座大山——体积与寿命

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2017-03-23
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摘要 : 电解电容存在两个发展的重大问题,就是体积与寿命,同时也是重庆达标电子科技有限公司在生产与创新中不断研究的问题。

LED寿命取决于电源,电源寿命则受制于电容器,在行业对电容器体积与寿命呼声越来越高之际,本土电容企业能否顺利翻过这两座大山,穿过价格战的泥潭,在高端应用场合一展拳脚?

  庞大的体积与LED小体量趋势背道而驰

  电解电容器是开关电源中一次和二次回路滤波电路中最重要的器件之一,电解电容器的等效电路被认为是理想电容器与寄生电感、等效串联电阻的串联。由于电解电容器多数采用卷绕结构,很容易扩大体积,因此单位体积电容量非常大,比其它电容大几倍到几十倍。

  大电容量的获取是以体积的扩大为代价的,现代开关电源要求越来越高的效率,越来越小的体积,电容器的体积已经成为一个较为严重的问题。变换器多采用升压电路,因此要求耐高压的铝电解电容器。这样一来,利用以往技术制造的铝电解电容器,由于要吸收比以往更大的脉动电流,不得不选择大尺寸的电容器。结果,使电源的体积庞大,难以用于小型化的电子设备,尤其是LED越来越往小体量方向发展。

  电解电容占电源很大的体积,这导致LED驱动电源体积变大。

  LED驱动因为在设计上朝缩小体积与降低成本发展,同时要应付恶劣的使用环境,对设计者的需求多会要求,希望加大电容的容比以满足小体积的需求。

  电容器的存在导致LED驱动电源体积变大这一问题。电容器、变压器以及电感,影响LED驱动电源体积的三大件,电容首当其冲。LED电源以及LED灯具都在往小体量方向发展,电容的存在恰恰阻碍或者放缓了这一发展趋势的步伐。而从目前市面上一些替代性的方案如去电源化,虽然省去了三大件在体量上有了极大的飞跃,然而产品的性能方面又出现了不可避免的短板,无法获得广泛的认可。体量与性能,似乎成为了LED驱动电源不可兼得的东西,这也是摆在电容企业面前的一大难题。

  温度适应性低导致寿命短成电容器短板

  LED行业有一种比较流行的说法是,80%LED灯具失效问题都是由LED驱动电源引起的,或许我们都错怪LED驱动电源了,真正出问题的其实是LED电源里面的一个元件——电容器。

  目前高温情况下电解电容的可靠性及稳定性仍然偏低,特别是高压电解电容在远低于预期寿命的阶段发生非正常失效的现象仍非常普遍,这一问题在工作环境恶劣的LED灯具中尤为突出。

  电容器对工作温度的适应性需要更宽,如在极寒地区电解液会因冷冻而导致容值变化,最终影响驱动电源无法正常工作,而温度太高则又会影响寿命。

  LED驱动多是装置在灯具内驱动,本身的温升加上灯具的温升对电解电容来说很容易会超过温度上限,虽然这有赖灯具系统设计工程师的认知,但实际应用往往会超过电容的耐温上限,需要电解电容本身具有良好的耐温性能。

  常用的电解电容都是采用液态电解液的电解电容,一旦电解液干了,电容量自然就没有了,温度越高,电解液就越容易蒸发。目前所有电解电容都是标出在105℃下的寿命。简单地说,如果环境温度高于105℃,那么它的寿命就会低于1000小时,如果环境温度低于105℃,那么它的寿命就高于1000小时,环境温度与电容器寿命有一个最简单而容易计算的关系,那就是环境温度每升高10度,寿命就降低一半;反过来,环境温度每降低10度,寿命就增加一倍。

  在一些极寒地区,电解液活性下降甚至直接无法工作,而温度过高则又会大大缩短电解电容器的寿命。受到LED体积不断变小导致LED内部空间压缩、散热设计的好坏、密封工艺以及价格竞争导致的以次充好等因素的影响,电容器的寿命以及可靠性,成为电源企业呼声最大的一个环节。

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  国产电容器创新能力较低,产品品质无法满足应用

  电解电容作为低成本、高能量密度的储能元件在电源设计中扮演了重要的角色,虽然在电源设计中完全取消电解电容并不存在太多技术上的障碍,但总会引起诸如防雷能力降低、一些电气技术指标变差等一系列问题,这些问题虽然都有技术手段去解决,但往往会显著增加电源的成本,性价比很难得到广泛认可。

  因此,未来相当一段时间内电解电容在中大功率的主流LED电源产品中仍将存在,在一些对价格不敏感,对寿命和可靠性更为关注的高端场合,电解电容的设计可能受到欢迎。

  与此同时,国内的电容产品,其品质无法满足高端市场的应用需求,只能作为一种备用品出现,处境相当尴尬。本土的电容企业,一方面起步较晚,在没有经过时间洗礼下底蕴方面有所欠缺,创新能力略显不足;另一方面,快速发展的中国经济导致企业过早开启价格竞争,大部分企业存在捞快钱现象,进一步加剧了产品品质问题。

  电容企业在面对体积与寿命这两座大山的同时,还要考虑价格战带来的冲击,或许,接下来就是真正考验本土电容企业创新能力的时候了吧。




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