确保电解电容器的长使用寿命：LED灯泡案例研究

电解电容器因在LED灯泡等高温应用中寿命短而臭名昭著。仔细选择这些设备并正确解释其规格对于确保它们不会影响最终产品的使用寿命至关重要。本应用笔记讨论了LED灯泡中电解电容器的这个问题，并提供了分析，展示了如何在此类产品中使用电解电容器。

热 LED 和短寿命电解电容器

几年前，我为LED灯泡设计了一些设计。很早以前，很明显，这种灯泡中组件的温度会变得相当高。我亲自测量了在当地零售店购买的灯泡的组件温度高达+130°C。现在不可否认，这些都是早期的LED灯泡设计。制造商现在明白，即使这些LED灯泡消耗的功率远低于它们所取代的灯泡，它们仍然必须具有良好的热工程。这是使电子设备的使用寿命与LED本身的寿命相匹配的唯一方法。

我发现令人不安的是，这些热门设计中有许多都包含电解电容器，这些电容器因在高温下寿命短而臭名昭著。我预计这些电容器的寿命会严重影响产品的寿命，并且不允许它们达到LED本身的30，000至50，000小时的能力。普通电解液在+2000°C下的额定值为5000至85小时，我发誓不会在任何LED灯泡设计中使用电解液。

在与当时的LED灯泡制造商交谈时，我发现许多人并不了解电解电容器的局限性。例如，他们通常会指出，他们使用了额定温度为+105°C的器件，并测量了该器件的温度为+100°C。 当我指出他们的+105°C额定电容只有在+2000°C下工作105小时后才能保证符合规格时，他们的反应常常令人惊讶。

电解帽的温度和耐久性规格

了解电解电容器的“耐久性”规格以及温度如何影响它非常重要。始终存在与额定温度相关的运行时间，通常在 1000 到 10，000 小时之间。最高额定温度通常为+85°C或+105°C。 一个常见且基本有效的经验法则是，温度每降低+2°C，电容器寿命就会增加10倍。相反，温度每升高 +2°C，寿命就会降低 10 倍。因此，在+100°C时，上述2000小时、额定+105°C电容器的耐久性为21/2× 2000 年，或大约 2，800 小时。即使假设电容器平均工作在+95°C，其寿命也只会增加到4000小时。这几乎不是LED灯泡所需的30，000到50，000小时。

因此，毫不奇怪，由于制造商对其电解电容器的额定值存在误解，许多早期的LED灯泡具有过于乐观的寿命额定值。我拆开了几个这样的灯泡，这些灯泡在运行不到 1000 小时后就死了。几乎所有的电解电容器都失效了。

功率因数和纹波：权衡

当年更具成本效益的LED灯泡设计都使用单级。据我所知，所有单级架构都会产生良好的功率因数或低输出120Hz（100Hz）纹波。不是两者兼而有之...除非您使用至少一个大值电容器。为了使电容器值足够大，使设计能够同时提供两者，必须使用电解材料。

当时，许多制造商接受具有大量120Hz纹波的产品，只要功率因数高即可。我做了几个没有电解液的设计，这些设计在LED电流中有很大的120Hz纹波。

终身设计

随着时间的流逝，LED灯泡制造商变得更加复杂，现在需要低纹波。一个好的解决方案包括两级设计，具有前端功率因数校正（PFC）电路，然后是单独的稳压器，通常是反激式稳压器。对于某些应用，两级设计的成本可能令人望而却步，因此我再次更认真地研究了在单级设计中使用电解质。

通过在许多单级设计中添加一个大输出电容，我们可以同时获得良好的PFC和更低的输出纹波。在典型设计中，该电容器必须为几百微法拉，额定电压范围为25V至100V，具体取决于所使用的串联LED数量。

幸运的是，灯泡制造商也迅速完善了他们的散热设计。随着时间的推移，LED的功效也得到了提高;消耗的更多电力用于产生光而不是热量。结果，灯泡中的组件温度下降，为我们在组件选择上提供了更多的“喘息空间”。在 +5000°C 甚至 +7000°C 下额定寿命为 10、000 甚至 105，125 小时的电解液系列相当多。 其中许多，特别是+105°C额定部件，并不比常见的2000小时额定部件贵多少。

由于更好的热条件，我与其他人协商后决定将电解电容器温度保持在+90°C或以下。我知道我可以在+7000°C下使用额定值为105小时的设备。 考虑到温度变化±2°C的“经验法则”因数为10，我也知道我的电容器可以使用20，000小时。更好，但这还不够好。我希望这个LED灯泡能持续30，000到50，000小时。

我决定进一步深入研究电解剂“耐久性”等级的含义。我选择了一台 330μF、50V 器件，在 +7000°C 下额定工作 105 小时，即 Nichicon UHE1H331MPD，它具有 UCC 制造的“表亲”电容器，其规格几乎相同，尺寸和尺寸相同，即 EKY-500ELL331MJ25S。®

UCC 数据手册针对耐久性规格规定了以下内容：

在20°C的指定时间内，在施加额定纹波电流（峰值电压不得超过额定电压）的直流电压下，电容器恢复到105°C时，应满足以下规格。

电容变化≤ ±初始值的25%

D.F. （tanδ） ≤初始指定值的 200%

漏电流≤初始指定值1

这种描述意味着，如果该器件在+105°C的额定最大纹波电流下工作7000小时，电容的变化将小于25%。同样，耗散因数以及ESR也不会超过原始规格的两倍。最后，漏电流仍将符合其原始规格。

这并不完全是那部分生命的终结。

我构建了几个原型，并在输出端放置了一个价值低得多的陶瓷电容器，而我们较大的电解电容器则放在更远的地方，它不靠近发热组件。我验证了电容器在任何预期的工作条件下都没有暴露在超过+90°C的温度下。

接下来，我计算了电容器必须处理的纹波电流，并指出如果电容器没有在全纹波电流下工作，“耐久性”时间会增加。发生这种情况是因为纹波电流会导致自热。很容易证明，所选电容器的额定值是其将经历的最差纹波电流的几倍。此外，性能数据表明，较低的自发热意味着电容器的工作温度将比承受最大纹波电流时低约+10°C。这一切的结果是什么？续航时间翻倍至40，000小时。

但是，还有其他一些事情需要考虑。同样重要的是，要检查耐久性规格所暗示的电容随时间推移的降低情况。输出电压纹波仍然必须足够低，以满足功能规格，电容降低25%，耐久性规格称这是最坏的情况。在我的应用中，220μF就足够了，所以我选择了330μF的器件。

然而，40，000 小时的耐力并不是理想的 50，000 小时。但同样，请记住，40，000 小时并不是电容器的使用寿命。相反，它是它将降低规格的点。由于我超标了该器件，因此这些降低的规格不会对电路操作产生不利影响。因此，电容器的运行时间应远远超过调整后的 40，000 小时额定值。

通过这项分析，我对LED灯泡寿命的保守30，000小时额定值感到满意。从那以后，我在家里使用了几个这样的灯泡超过 3 年（大约 30，000 小时），其中有几个一直开着。没有一个失败。制造商还报告这些设计的使用寿命没有问题。

审核编辑：郭婷