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可靠性元器件降额设计_电容(3)

NUOJIYAE66
德凯宜特
上一篇关于电容的文章分析了输出端的纹波电流的计算方法,这篇分享下输入端电容纹波电流的计算方法,同时将常用的电解电容降额设计也聊下,这样常用的电容篇就暂时分享这么多。


上篇得出输出端电感L上的纹波电流如下(再次解释),参考如下截图的Buck电路:
Inductor Ripple Current ΔIL=(Vin-Vout)*D/(fs*L)=(Vin-Vout)*(Vout/Vin/η)/(fs*L);
参数解释参考下面截图中得知:
Vin----输入端电压上限Vin(max);
Vout---输出端正常电压;
D----占空比,为Vout/Vin;
η------功率转化效率;实际电路中可以查询IC的Datasheet得知,若未知或是电路中未接入IC,有时可省略;
fs-----开关频率;
L------选取的电感L的值;
!!!这里纠正下上篇(元器件降额设计_电容2)的一个错误,上面算出来的纹波电流为Peak-Peak值(峰峰值),需要转化为有效值才能和电容的Datesheet里的额定有效值值进行比较,因为Datesheet里通常显示的值为有效值,单位为(Arms),而峰峰值转化为有效值需要除以√12(根号下12),如下电路输出端只有一个电容,所以输出端电容的纹波电流有效值为:
I (Co)=(Vin-Vout)*D/(fs*L)/√12=(Vin-Vout)*(Vout/Vin/η)/(fs*L)/√12;


注意:文中含有rms字样单位的均为有效值;

接着上篇,继续参考上图分析输入端电容Cin纹波电流Icin.rms的计算方法,通常都能在网上找到两种计算公式,具体推导过程有兴趣的可以网上搜索:
1)忽略输出端纹波,则Icin.rms=Iout*(D*(1-D))^0.5;
2)不忽略输出端纹波电流,精确计算则Icin.rms={Iout^2*(D*(1-D))+ΔIL ^2*D/12}^0.5;
----D=Vout/Vin; Iout为输出端额定电流,ΔIL为输出端电感纹波电流(计算方法上面有讲),
注意:输入端电容纹波电流计算时Vin取最小值;输出端电容纹波电流计算时Vin取最大值。不过有可能实际电路输入Vin为恒定值,则无需考虑最大或者最小。


总结:对上面第一张截图Buck converter电路的输入端纹波电流Icin和输出端电容纹波电流Ico的计算,见如下截图,方便各位理解查看:


如上两幅截图参考链接如下,有兴趣的可以自行下载学习:http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/power/switching_regulator/capacitor_calculation_appli-e.pdf。


接下来继续聊常用的铝电解电容的降额,首先继续参考IPC9592的降额规范,参考如下截图:

这里关于DC电压,纹波电流,温度降额就不再分析了,因为这些计算方法上面已经讲过了。这里就分享下铝电解电容降额需要考虑的另外一个因素---Life/Endurance.
1)若简化计算,只考虑温度对电解电容寿命的影响,不考虑纹波电流引起的升温,也就是通常说的温度升高10度,寿命降低1倍,得出公式L=L0*2^{(Tstress-Tuse)/10};
这里L对应25度环境条件下的寿命;
L0对应Datesheet中额定温度下的寿命,例如如下第二张截图对应150度,使用寿命为L0=1500~2000h;
Tstress为测试温度;
Tuse为25度使用时该电容周边的温度,假设为55度;
对下面第二张截图来说就是25度下最小寿命L=1500*2^{(150-55)/10}=1086116hours=124年,符合10年降额要求;
不过这个计算方法太粗糙了,也可以用Arrhenius方程计算,首先得得出激活能,根据SR332标准里列出的参考,通常假设为0.6的话,可以算出约20年的寿命。
2)若考虑纹波电流累加的温度造成的寿命缺失,通常需要咨询供应商找到内部测试数据,例如纹波电流引起的温升对照值,通常的Datesheet里找不到这样的数据,需要咨询供应商得到内部数据....暂无实际案例,以后遇到再行分享...






对于电容降额的分析暂时就先分享这么多,以后工作中再碰到其他问题或是不同的案例,会再行补充,如上分享若有错误,也欢迎指出讨论,谢谢~~


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