電解電容器因在LED燈泡等高溫應用中壽命短而臭名昭著。仔細選擇這些設備并正確解釋其規格對于確保它們不會影響最終產品的使用壽命至關重要。本應用筆記討論了LED燈泡中電解電容器的這個問題，并提供了分析，展示了如何在此類產品中使用電解電容器。

熱 LED 和短壽命電解電容器

幾年前，我為LED燈泡設計了一些設計。很早以前，很明顯，這種燈泡中組件的溫度會變得相當高。我親自測量了在當地零售店購買的燈泡的組件溫度高達+130°C。現在不可否認，這些都是早期的LED燈泡設計。制造商現在明白，即使這些LED燈泡消耗的功率遠低于它們所取代的燈泡，它們仍然必須具有良好的熱工程。這是使電子設備的使用壽命與LED本身的壽命相匹配的唯一方法。

我發現令人不安的是，這些熱門設計中有許多都包含電解電容器，這些電容器因在高溫下壽命短而臭名昭著。我預計這些電容器的壽命會嚴重影響產品的壽命，并且不允許它們達到LED本身的30，000至50，000小時的能力。普通電解液在+2000°C下的額定值為5000至85小時，我發誓不會在任何LED燈泡設計中使用電解液。

在與當時的LED燈泡制造商交談時，我發現許多人并不了解電解電容器的局限性。例如，他們通常會指出，他們使用了額定溫度為+105°C的器件，并測量了該器件的溫度為+100°C。 當我指出他們的+105°C額定電容只有在+2000°C下工作105小時后才能保證符合規格時，他們的反應常常令人驚訝。

電解帽的溫度和耐久性規格

了解電解電容器的“耐久性”規格以及溫度如何影響它非常重要。始終存在與額定溫度相關的運行時間，通常在 1000 到 10，000 小時之間。最高額定溫度通常為+85°C或+105°C。 一個常見且基本有效的經驗法則是，溫度每降低+2°C，電容器壽命就會增加10倍。相反，溫度每升高 +2°C，壽命就會降低 10 倍。因此，在+100°C時，上述2000小時、額定+105°C電容器的耐久性為21/2× 2000 年，或大約 2，800 小時。即使假設電容器平均工作在+95°C，其壽命也只會增加到4000小時。這幾乎不是LED燈泡所需的30，000到50，000小時。

因此，毫不奇怪，由于制造商對其電解電容器的額定值存在誤解，許多早期的LED燈泡具有過于樂觀的壽命額定值。我拆開了幾個這樣的燈泡，這些燈泡在運行不到 1000 小時后就死了。幾乎所有的電解電容器都失效了。

功率因數和紋波：權衡

當年更具成本效益的LED燈泡設計都使用單級。據我所知，所有單級架構都會產生良好的功率因數或低輸出120Hz（100Hz）紋波。不是兩者兼而有之...除非您使用至少一個大值電容器。為了使電容器值足夠大，使設計能夠同時提供兩者，必須使用電解材料。

當時，許多制造商接受具有大量120Hz紋波的產品，只要功率因數高即可。我做了幾個沒有電解液的設計，這些設計在LED電流中有很大的120Hz紋波。

終身設計

隨著時間的流逝，LED燈泡制造商變得更加復雜，現在需要低紋波。一個好的解決方案包括兩級設計，具有前端功率因數校正（PFC）電路，然后是單獨的穩壓器，通常是反激式穩壓器。對于某些應用，兩級設計的成本可能令人望而卻步，因此我再次更認真地研究了在單級設計中使用電解質。

通過在許多單級設計中添加一個大輸出電容，我們可以同時獲得良好的PFC和更低的輸出紋波。在典型設計中，該電容器必須為幾百微法拉，額定電壓范圍為25V至100V，具體取決于所使用的串聯LED數量。

幸運的是，燈泡制造商也迅速完善了他們的散熱設計。隨著時間的推移，LED的功效也得到了提高;消耗的更多電力用于產生光而不是熱量。結果，燈泡中的組件溫度下降，為我們在組件選擇上提供了更多的“喘息空間”。在 +5000°C 甚至 +7000°C 下額定壽命為 10、000 甚至 105，125 小時的電解液系列相當多。 其中許多，特別是+105°C額定部件，并不比常見的2000小時額定部件貴多少。

由于更好的熱條件，我與其他人協商后決定將電解電容器溫度保持在+90°C或以下。我知道我可以在+7000°C下使用額定值為105小時的設備。 考慮到溫度變化±2°C的“經驗法則”因數為10，我也知道我的電容器可以使用20，000小時。更好，但這還不夠好。我希望這個LED燈泡能持續30，000到50，000小時。

我決定進一步深入研究電解劑“耐久性”等級的含義。我選擇了一臺 330μF、50V 器件，在 +7000°C 下額定工作 105 小時，即 Nichicon UHE1H331MPD，它具有 UCC 制造的“表親”電容器，其規格幾乎相同，尺寸和尺寸相同，即 EKY-500ELL331MJ25S。?

UCC 數據手冊針對耐久性規格規定了以下內容：

在20°C的指定時間內，在施加額定紋波電流（峰值電壓不得超過額定電壓）的直流電壓下，電容器恢復到105°C時，應滿足以下規格。

電容變化≤ ±初始值的25%

D.F. （tanδ） ≤初始指定值的 200%

漏電流≤初始指定值1

這種描述意味著，如果該器件在+105°C的額定最大紋波電流下工作7000小時，電容的變化將小于25%。同樣，耗散因數以及ESR也不會超過原始規格的兩倍。最后，漏電流仍將符合其原始規格。

這并不完全是那部分生命的終結。

我構建了幾個原型，并在輸出端放置了一個價值低得多的陶瓷電容器，而我們較大的電解電容器則放在更遠的地方，它不靠近發熱組件。我驗證了電容器在任何預期的工作條件下都沒有暴露在超過+90°C的溫度下。

接下來，我計算了電容器必須處理的紋波電流，并指出如果電容器沒有在全紋波電流下工作，“耐久性”時間會增加。發生這種情況是因為紋波電流會導致自熱。很容易證明，所選電容器的額定值是其將經歷的最差紋波電流的幾倍。此外，性能數據表明，較低的自發熱意味著電容器的工作溫度將比承受最大紋波電流時低約+10°C。這一切的結果是什么？續航時間翻倍至40，000小時。

但是，還有其他一些事情需要考慮。同樣重要的是，要檢查耐久性規格所暗示的電容隨時間推移的降低情況。輸出電壓紋波仍然必須足夠低，以滿足功能規格，電容降低25%，耐久性規格稱這是最壞的情況。在我的應用中，220μF就足夠了，所以我選擇了330μF的器件。

然而，40，000 小時的耐力并不是理想的 50，000 小時。但同樣，請記住，40，000 小時并不是電容器的使用壽命。相反，它是它將降低規格的點。由于我超標了該器件，因此這些降低的規格不會對電路操作產生不利影響。因此，電容器的運行時間應遠遠超過調整后的 40，000 小時額定值。

通過這項分析，我對LED燈泡壽命的保守30，000小時額定值感到滿意。從那以后，我在家里使用了幾個這樣的燈泡超過 3 年（大約 30，000 小時），其中有幾個一直開著。沒有一個失敗。制造商還報告這些設計的使用壽命沒有問題。

審核編輯：郭婷