Как электролитические конденсаторы определяют срок службы источника питания (XP Power Blog)

Перевод.
Автор:Гэри Бокок.

Оригинал статьи: https://www.xppower.com/resources/blog/electrolytic-capacitor-lifetime-in-power-supplies
Срок службы, заявленный производителем важен, но не менее важны условия эксплуатации и конкретное применение источника питания.

Обзор:

Электролитические конденсаторы в источниках питания переменного и постоянного тока имеют ограниченный срок службы.
Производители предоставляют вероятностную (расчетную) оценку долговечности, чтобы помочь покупателям выбрать наиболее подходящее решение.
Наш технический директор Гэри Бокок (Gary Bocock) резюмирует расчеты производителя и рекомендует дополнительную проверку параметров эксплуатации в процессе работы.
Электролитические конденсаторы являются важным компонентом источников питания. Они накапливают в себе большой заряд (СxU). У них малое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) при небольших размерах корпуса. Сейчас электролитические конденсаторы вне конкуренции по соотношению характеристики/цена.

Срок службы блока питания

Срок службы электролитических конденсаторов становится все более значимым параметром при проектировании источников питания. Требования к удельной мощности растут, и электролитические конденсаторы являются единственным изнашиваемым компонентом источника питания. То есть тип используемого в конструкции электролитического конденсатора определяет срок службы блока питания, а следовательно и срок службы или интервал обслуживания конечного оборудования.
Величина пульсирующих токов, топология печатной платы, расчетный срок службы конденсатора, номинальная температура конденсатора и эффект местного нагрева варьируются от одного изделия к другому. К этому добавляется изменение характеристик от значения входного напряжения или питания.
Эффекты внешнего нагрева могут перевесить эффекты внутреннего нагрева, особенно в современных компактных конструкциях. Фактический срок службы также зависит от повышения температуры эксплуатации, которое может произойти при установке источника питания в  конечном изделии. Режим работы конечного оборудования — еще один фактор, определяющий среднюю рабочую температуру в течение срока службы и количество часов использования в день.
Разработчики электролитических конденсаторов учитывают все эти факторы при определении срока службы своей продукции. Давайте посмотрим, с какими расчетами они работают.

Расчетный срок службы при номинальной температуре

Производители электролитических конденсаторов указывают расчетный срок службы для максимальной номинальной температуры окружающей среды, обычно 105°C. Этот расчетный срок службы обычно варьируется от 1000 до 10 000 часов и более. Чем больше расчетный срок службы, тем дольше прослужит компонент при данном применении и температуре окружающей среды.
Производители предоставляют расчеты для определения срока службы в конечном изделии. Они основаны на уравнении Аррениуса для температурной зависимости скорости реакции. Скорость реакции удваивается на каждые 10 °C повышения температуры. Это означает, что срок службы удваивается на каждые 10 °C снижения температуры, поэтому конденсатор, рассчитанный на 5000 часов при 105 °C, будет иметь срок службы 10 000 часов при 95 °C и 20 000 часов при 85 °C.
Основное уравнение приведено ниже. Кривая отображает зависимость срока службы от температуры окружающей среды.

L— срок службы
L0 — Расчетный срок службы при номинальной температуре
Tmax — номинальная температура
Ta — окружающая температура.

 

Пульсирующий ток и частота преобразования.

Помимо температуры окружающей среды и эффектов местного нагрева, приложенные токи пульсации дополнительно нагревают «внутренности» конденсатора. Процессы переключения и выпрямления на входном и выходном каскадах источника питания создают токи пульсации. Величина и частота этих токов пульсаций зависят от используемой схемы преобразования, разработанной для активной коррекции коэффициента мощности (PFC), где она используется. Они также зависят от силового каскада главного преобразователя. Мощность, рассеиваемая внутри конденсатора, определяется среднеквадратичным током пульсаций и ESR конденсатора на приложенной частоте.
Повышение температуры сердцевины компонента связано с рассеиваемой мощностью, коэффициентом тепловой передачи. Эти значения указываются производителем конденсаторов.
Максимальный ток пульсаций, который может быть применен к конденсатору, обычно указывается при максимальной температуре окружающей среды и частоте 100/120 Гц. Поправочные коэффициенты могут применяться в зависимости от температуры окружающей среды при фактическом использовании и частоты пульсирующего тока: с увеличением частоты, ESR становится меньше (подробности — см здесь)

Преимущество систем охлаждения

Закрытые блоки питания с собственными охлаждающими вентиляторами менее восприимчивы к окружающей температуре. Температура окружающей среды должна оставаться в пределах указанной в спецификации. Кроме того должно быть достаточное пространство для прохождения охлаждающего воздуха.
В таблице ниже указан расчетный срок службы конденсаторов с расчетным сроком службы 2 000 и 5 000 часов при различных температурах. Он предполагает работу в режиме 24/7 при переводе часов работы в годы эксплуатации. Оборудование с менее интенсивным профилем работы- например, восемь-десять часов в день, работающее пять дней в неделю — будет иметь значительно более длительный срок службы.

Прочие факторы, влияющие на срок службы.

Производители источников питания применяют правила снижения проектных характеристик, чтобы обеспечить достаточный срок службы изделия.
Но не могут знать какой будет режим работы, окружающая среда, расположение при установке, окружающее пространство, приложенная нагрузка, качество охлаждения или вентиляции системы после того, как источник питания будет установлен в конечном оборудовании.
Срок службы конденсатора, особенно в условиях конвективного или естественного охлаждения, следует дополнительно оценивать в каждом конкретном случае. Измерять пульсирующие токи непрактично, но измерение эффективной рабочей температуры даст точную оценку срока службы. Также можно измерить температуру корпуса и применить уравнение Аррениуса и профиль работы к базовому сроку службы, указанному производителем компонента.
На приведенном ниже чертеже указаны конденсаторы, а кривые показывают ожидаемый срок службы источника питания в зависимости от температуры двух конденсаторов (C6 и C23).

Во многих технических паспортах источников питания XP Power, например для серии GCS (см разделы Thermal Considerations и Service Life в конце даташита), указаны ключевые компоненты, определяющие срок службы продукта. Сюда входят те, которым требуется оконечное оборудование для обеспечения внешнего охлаждения, и те, которые предназначены для систем с конвекционным охлаждением. Эта информация, наряду с данными об операционной среде приложения, помогает разработчикам системы более точно определять срок службы источника питания в конечном приложении.

 

РЕЗЮМЕ: для точного прогнозирования срока службы источника питания важно оценить его условия работы в вашем конкретном случае. Для этого необходимы результаты замера температур критичных компонентов, данные предоставленные производителем источника питания, режим работы в конечном изделии.
Полезным будет и руководство по источникам питания — независимо от того, разрабатываете ли вы источник питания переменного тока в постоянный или преобразователь постоянного тока в постоянный. Вся нужная информация содержится в одном простом справочнике.

Компания ФОРМПОСТ (Formpost LLC) — официальный дистрибьютор XP Power.

http://www.formpost.pro/