1、前言

鋁電解電容是目前除了陶瓷電容之外用得最廣泛的電容品種了，因此，作為硬件工程師，必須熟練的掌握其特性。

筆者結(jié)合自身經(jīng)驗，通過查閱各種資料，針對硬件設(shè)計需要掌握的重點及難點，總結(jié)了此文檔。通過寫文檔，目的是能夠使自己的知識更具有系統(tǒng)性，溫故而知新，同時也希望對讀者有所幫助，大家一起學(xué)習(xí)和進(jìn)步。

2、鋁電解電容器概述

2.1、基本模型

電容器是無源器件，在各種電容器中，鋁電解電容器與其他電容器相比，相同尺寸時，CV值更大，價格更便宜。電容器的基本模型如圖所示。

靜電容量計算式如下：

其中，為介電常數(shù)，S為兩極板正對表面積，d為兩極板件距離（電介質(zhì)厚度）。

從式中可以看出：靜電容量與介電常數(shù)，極板表面積成正比、與兩極板間距離成反比。作為鋁電解電容器的電介質(zhì)氧化膜(Al2O3)的介電常數(shù)通常為8~10，這個值一般不比其他類型的電容器大，但是，通過對鋁箔進(jìn)行蝕刻擴大表面積，并使用電化學(xué)的處理得到更薄更耐電壓的氧化電介質(zhì)層，使鋁電解電容器可以取得比其他電容器更大的單位面積CV值。

鋁電解電容器主要構(gòu)成如下：

陽極-----鋁箔

電介質(zhì)---陽極鋁箔表面形成的氧化膜（Al2O3)

陰極-----真正的陰極是電解液

其他的組成成分包括浸有電解液的電解紙，和電解液相連的陰極箔。綜上所述，鋁電解電容器是有極性的非對稱構(gòu)造的元件。兩個電極都使用陽極鋁箔的是兩極性（無極性）電容。

2.2、基本構(gòu)造

鋁電解電容器素子的構(gòu)造如圖所示，由陽極箔，電解紙，陰極箔和端子（內(nèi)外部端子）卷繞在一起含浸電解液后裝入鋁殼，再用橡膠密封而成。

2.3、材料的特性

鋁箔是鋁電解電容器主要材料，將鋁箔設(shè)置為陽極，在電解液中通電后，鋁箔的表面會形成氧化膜(Al2O3)，此氧化膜的功能為電介質(zhì)。

形成氧化膜后的鋁箔在電解液中是具有整流特性的金屬，就像是一個二極管，被稱之為閥金屬。

①陽極鋁箔

首先，為了擴大表面積，將鋁箔材料置于氯化物水溶液中進(jìn)行電化學(xué)蝕刻。然后，在硼酸銨溶液中施加高于額定電壓的電壓后，在鋁箔表面形成電介質(zhì)氧化層（Al2O3），這個電介質(zhì)層是很薄很致密的氧化膜，大概1.1~1.5nm/V , 絕緣電阻大約為10^8~10^9Ω /m。氧化層的厚度和耐壓成正比。

②陰極鋁箔

同陽極箔一樣，陰極鋁箔同樣有蝕刻的程序，但是沒有氧化的程序。因此，陰極鋁箔表面只有少量的自然氧化形成的(Al2O3)，能承受的電壓只有0.5V左右。

③電解液

電解液是由離子導(dǎo)電的液體，是真正意義上的陰極，起著連接陽極鋁箔表面電介質(zhì)層的作用。而陰極鋁箔類似集電極一樣起著連接真正陰極和內(nèi)部電路的作用。電解液是決定電容器特性（溫度特性，頻率特性，使用壽命等）的關(guān)鍵材料。

④電解紙

電解紙主要起著均衡電解液的分布并保持陰極箔和陽極箔間隔的作用。

2.4、制作過程

①蝕刻（擴大表面積）

蝕刻的作用是擴大鋁箔表面積。蝕刻是在氯化物溶液中施加交流或直流電流的電化學(xué)過程。

②化成（形成電介質(zhì)層）

化成是在陽極鋁箔表面形成電介質(zhì)層（Al2O3）的過程。一般將化成過的鋁箔作為陽極使用。

③裁剪

按照不同產(chǎn)品的尺寸要求將鋁箔（陰極箔和陽極箔）和電解紙剪切為需要的尺寸。

④卷繞

將陰極箔和陽極箔之間插入電解紙，然后卷繞成圓柱形，在卷繞工藝上陰極箔和陽極箔上連接端子。

⑤含浸

含浸是將素子浸入電解液中的過程。電解液能對電介質(zhì)層進(jìn)一步修復(fù)。

⑥密封

密封是將素子裝入鋁殼中后用封口材料（橡膠，橡膠蓋等）密封的過程。

⑦老化（再化成）

老化是對密封后的電容器在高溫下施加電壓的過程。這個過程能將裁剪和卷繞過程時電介質(zhì)層的一些受損進(jìn)行修復(fù)。

⑧全檢，包裝

老化之后，將對所有產(chǎn)品進(jìn)行電氣特性檢查。并進(jìn)行端子加工，編帶等。最后進(jìn)行包裝。

3、基本特性

3.1、靜電容量

電極表面積越大，容量（儲存電荷的能力）越大。鋁電解電容器的靜電容量值是在20℃，120Hz /0.5V的交流電條件下測試的值。

①溫度升高，容量也會升高；溫度降低，容量也會降低。

②頻率越高，容量越??；頻率越低，容量越大。

3.2、損耗角

電解電容等效電路如上圖（忽略了絕緣電阻），當(dāng)頻率為120Hz（一般電容器標(biāo)稱的損耗角就是在此頻率下測得的）時，頻率相對等效串聯(lián)電感L非常低，因此可以忽略L，損耗角模型如下圖：

可以得到損耗角公式：

損耗角與溫度的關(guān)系如下圖，溫度越高，損耗角越小。

在低溫的時候，可以看到損耗角變大很多，在20℃時是0.05，在-40℃時是0.09，根據(jù)公式說明ESR增大了接近1倍。

3.3、漏電流

漏電流是鋁電解電容器特性之一，當(dāng)施加直流電壓時，電介質(zhì)氧化層允許很小的電流通過，這一部分小電流稱為漏電流。理想的電容器是不會產(chǎn)生漏電流的情況（和充電電流不一樣，即使電壓恒定，這個電流也是持續(xù)存在的）。

漏電流會隨時間而變化，如圖所示、隨時間而減小后會達(dá)到一個穩(wěn)定值。因此，漏電流的規(guī)格值為20℃下施加額定電壓一段時間之后所測量的值。

當(dāng)溫度升高時，漏電流增加；溫度降低，漏電流減少施加的電壓降低，漏電流值也會減少。

3.4、阻抗-頻率曲線

根據(jù)模型，電容器的復(fù)阻抗為：

阻抗的模值：

畫出阻抗-頻率曲線如下圖：

1/ωC是容抗，圖中容抗的直線向下角成45°角。ωL是感抗、它的直線向右上角成45°角。R代表等效串聯(lián)電阻。在低頻率區(qū)間，有頻率依存性的電介質(zhì)損失影響大，因而R曲線向下。在高頻區(qū)間，電解液和電解紙的阻值占主導(dǎo)地位，不再受頻率的影響，因而R值趨于穩(wěn)定。

4、普通鋁電解電容參數(shù)

廠家一般都有各種系列的電解電容，低ESR的，長壽命的，高溫的。而普通品是性能最低的，是最便宜的，一般溫度和壽命參數(shù)是85℃/105℃-1000h/2000h、本節(jié)這里說的也是這種鋁電解電容。

4.1、ESR參數(shù)

首先，一般廠家是不會直接給出普通鋁電解電容的ESR值，但是會給出損耗角參數(shù)，此時的損耗角是在120Hz時的（損耗角與頻率有關(guān)系）。

下面是幾個品牌的最普通的鋁電解電容100uF-16V的參數(shù)，按照上述方法計算得120Hz的ESR值如下表。

可以看到，如果容值和額定電壓值確定，各個廠家的ESR相差不大。

另外，也可以發(fā)現(xiàn)，封裝（尺寸大?。┎煌?，對ESR的影響不會太大，但是會影響紋波電流的大小，尺寸大，能更抗熱，紋波電流自然也越大。

那么不同容量，不同電壓的鋁電解電容的ESR的大小是多少呢？

既然各家差不多，就以紅寶石的為例，如下表

從上述表格也可以得出如下結(jié)論：

①容量越大，ESR值越小。

②額定電壓越大，ESR值越小。

需要說明的是這個ESR值是在120Hz情況下的，如果頻率升高， ESR是會有所下降，看上一章節(jié)ESR與頻率的曲線圖，在100Khz大致下降到120hz的1/2-1/4（這個比例數(shù)據(jù)很粗糙）左右。

4.2、額定紋波電流

不同于MLCC陶瓷電容，鋁電解電容需要注意額定紋波電流，它是有效值，不能超規(guī)格使用。鋁電解電容的ESR相對比較大，因此，如果紋波電流比較大的話，內(nèi)部發(fā)熱嚴(yán)重，會導(dǎo)致電容器失效、因此每個制品都設(shè)定有額定的紋波電流。

額定紋波電流與封裝大小和ESR值有關(guān)系

ESR越小，額定紋波電流越大。

封裝越大，額定紋波電流越大。

因為電流紋波會造成自我溫升，下表為各兩種周圍溫度下的自我溫升的△T界限值（一般情況，僅供參考）

雖然有一些系列降低周圍溫度可以施加超過額定的紋波電流，但自我溫升△T升高的話，壽命就會變短?！鱐在各種周圍溫度下都有其規(guī)定界限值，請在使用中不要超過其界限值。

自我溫升△T計算公式如下：

Io：在工作上限溫度時的使使用頻率系數(shù)修正后的額定紋波電流Arms。

Ix：實際使用時的紋波電流Arms。

△To：疊加額定紋波電流時的自我溫升。

普通鋁電解電容標(biāo)稱的額定紋波電流是在120Hz的值，那其它頻率額定電流紋波值是怎么樣的呢？一般廠家會在規(guī)格書給出一個紋波電流頻率校正系數(shù)。

以紅寶石為例，如下表

舉例：規(guī)格書中紅寶石100UF-16V的鋁電解電容在120Hz的額定紋波電流是135mA，那么在10Khz條件下額定紋波電流是多少呢？

答：查表得矯正系數(shù)是1.2，所以在10KHz紋波電流Irms=135mA*1.2=162mA。

5、高品質(zhì)鋁電解電容

這里高品質(zhì)鋁電解電容是相對普通鋁電解電容來說的，在一些特殊的場合，普通鋁電解電容并不能滿足我們的要求。實際上，鋁電解電容廠家通常會提供多個系列的型號，高品質(zhì)的主要分為3類：高耐溫化、長壽命化、低阻抗化。

如下圖為松下的鋁電解電容列表。

高壽命的可以達(dá)到5000h，高溫的可以達(dá)到125℃。

低阻的鋁電解電容會是多低呢？幾個品牌對比如下表。

如此看來，同規(guī)格各個廠家低ESR鋁電解電容，ESR值相差不大，都為標(biāo)準(zhǔn)（120Hz）的七八分之一左右，但是如果同為100Khz頻率下，差異就沒這么大了，可能也就是下降一半。

6、異常電壓

施加異常電壓會引起電容器內(nèi)部發(fā)熱和產(chǎn)生氣體而導(dǎo)致內(nèi)部壓力上升，壓力上升會導(dǎo)致開閥或電容器損壞失效。

6.1、過大電壓

施加高于額定電壓的電壓會引起陽極箔的化學(xué)反應(yīng)（形成電介質(zhì)）導(dǎo)致漏電流迅速增加,從而產(chǎn)生熱量和氣體,內(nèi)部壓力因此也會升高。

這種化學(xué)反應(yīng)會隨著電壓,電流,環(huán)境溫度的升高而加快。隨著內(nèi)部壓力增加,電容器會開閥或損壞失效。也可能會導(dǎo)致電容器容量降低,損失角和漏電流增加,從而會導(dǎo)致電容器短路。

6.2、反相電壓

施加反相電壓會引起電容器陰極箔的化學(xué)反應(yīng)，同施加過大電壓一樣會導(dǎo)致漏電流迅速增加,電容器內(nèi)部會產(chǎn)生熱量和氣體而引起內(nèi)壓升高。

這種化學(xué)反應(yīng)會隨著電壓，電流，環(huán)境溫度的升高而加快。同時靜電容量減少，損失角增大，漏電流增加。

施加大概1V的反相電壓會導(dǎo)致容量減少；施加2V-3V的反相電壓會導(dǎo)致容量減少，損失角增加/或者漏電流增加而縮短了電容器的壽命。如果施加更大的反相電壓會導(dǎo)致開閥或電容器損壞。

7、再起電壓

給鋁電解電容器充電、讓其端子間短路，再將短路線路打開放置一段時間過后，兩端子間的電壓會發(fā)生再次上升的現(xiàn)象。此時的電壓叫再起電壓。

給電介質(zhì)施加電壓后，電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生電氣變化，電介質(zhì)表面帶有施加的電壓和正負(fù)反向電荷。（極化作用）因為極化作用的速度，有快慢之分，施加電壓后、把端子間的電壓放至 0V、打開線路后放置，分極反應(yīng)慢的電位在端子間產(chǎn)生再起電壓。

再起電壓的時間變化如圖所示，兩端子間打開后約10～20天后達(dá)到峰值，再漸漸降低。另外，大型品（螺絲端子型、基板自立型）的再起電力值有變大的傾向。

再起電壓發(fā)生后，意外的讓兩端子間短路的話，打火會給生產(chǎn)線作業(yè)人員帶來恐怖感、電路的 CPU、存儲器等低電壓驅(qū)動素子也有被破壞的危險。作為防止辦法，請在使用前用 100～1K歐左右的電阻對所積蓄的電荷進(jìn)行放電。

8、鋁電解電容壽命

8.1、壽命的計算原理

鋁電解電容器的壽命、一般受電解液通過封口向外蒸發(fā)的現(xiàn)象的影響、表現(xiàn)為靜電容量的減少、損失角正切值的增大。

電解液的蒸發(fā)速度和溫度的關(guān)系用阿雷尼厄斯定律表示：

k為：化學(xué)反應(yīng)速度

A：頻度因子

E：活性化能量

R：氣體常數(shù)

T：溫度

這個公式說明了化學(xué)反應(yīng)速度（電解液損失的速度）與溫度呈對數(shù)的關(guān)系。而溫度由鋁電解電容環(huán)境溫度，紋波電流兩者決定，因此，環(huán)境溫度和紋波電流決定了鋁電解電容的使用壽命。

鋁電解電容實際使用壽命公式如下（不同電容有些差別，僅供參考）：

Lx為使用壽命。

Lo為保證壽命值（規(guī)格書中宣稱的壽命）。

To為最高工作溫度（規(guī)格書中溫度上限）。

Tx為實際環(huán)境溫度，鋁電解電容實際環(huán)境溫度。

很容易得出：電容工作溫度每升高10℃，電容壽命減小一倍

8.2、壽命計算舉例

在線計算壽命網(wǎng)站（尼吉康）：

https://www.cn-nichicon.com/products/lifetime/

普通品UWX系列