鋁電解電容的案例
【知識分享】關于鋁電解電容，看這一篇就夠了！
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。
筆者結合自身經驗，通過查閱各種資料，針對硬件設計需要掌握的重點及難點，總結了此文檔。通過寫文檔，目的是能夠使自己的知識更具有系統性，溫故而知新，同時也希望對讀者有所幫助，大家一起學習和進步。
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，S為兩極板正對表面積，d為兩極板件距離（電介質厚度）。
從式中可以看出：靜電容量與介電常數，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氧化膜(Al2O3)的介電常數通常為8~10，這個值一般不比其他類型的電容器大，但是，通過對鋁箔進行蝕刻擴大表面積，并使用電化學的處理得到更薄更耐電壓的氧化電介質層，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成如下：
陽極-----鋁箔
電介質---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、基本構造
鋁電解電容器素子的構造如圖所示，由陽極箔，電解紙，陰極箔和端子（內外部端子）卷繞在一起含浸電解液后裝入鋁殼，再用橡膠密封而成。
展開 液體鋁電解電容內部構造剖析
來源 | 數碼之家
作者 | ljlun
電解電容是電容的一種，其采用金屬箔為正極（鋁或鉭），與正極金屬箔上氧化膜（氧化鋁或五氧化二鉭）是電介質，陰極由導電材料、電解質（電解質可以是液體或固體）和其他材料共同組成，因電解質是陰極的主要部分，電解電容因此而得名。
注意電解電容正、負不可接錯，當然過年時還是可以試試。
最常見的電解電容就是鋁電解電容了。
鋁電解電容器按固定方式可分為：引線型鋁電解電容器，螺栓式鋁電解電容器。
按電解質類型可分為：液體鋁電解電容器、固態鋁電解電容器、混合鋁電解電容器。
其結構形式主要有兩種：一種是箔式卷繞形的（液態電解質），另一種是鋁粉燒結多孔塊狀的（固態電解質）。
本文圖解液體鋁電解電容，先附鋁電解剖面示意圖：
上實物了，電容外觀：
封口塞也是個壓力閥，大體積電解在鋁殼頂端也會設置一個壓力閥。
撕開外殼，味挺沖的。
引腳與封口膠塞。
因為引腳斷掉了，所以芯子留在鋁殼里。
抽出電容芯子來。
芯子表面有緊固的膠帶。
又來張電容芯子分解示意圖，預習一下：
剝離膠帶后，卷繞的鋁箔就能松開了，浸在紙上的就是電解液（液體電解質）。
剝呀剝。
看到引線連接位置了。
雙層，一正一負。
一負，準確說鋁箔只是方便作為負極的電解液導電用的。
中間有層電解紙，浸潤了電解液（真正的負極）。
展開 干貨｜關于電感線圈你一定要知道的事兒
應用電壓過高和溫度過高都會引起漏電流的增加
2、壓力釋放裝置動作
壓力釋放裝置動作
為了防止鋁電解電容器中電解液由于內部高溫沸騰的氣體或電化學過程而產生的氣體而引起內部高氣壓造成鋁電解電容器的爆炸。
為了消除鋁電解電容器的爆炸，直徑8毫米以上的鋁電解電容器均設置了壓力釋放裝置，這些壓力釋放裝置在鋁電解電容器內部的氣壓達到尚未使鋁電解電容器爆炸的危險壓力前動作，泄放出氣體。
隨著鋁電解電容器的壓力釋放裝置的動作，鋁電解電容器即宣告失效。
鋁電解電容器壓力釋放裝置(中間的十字)
電化學過程導致壓力釋放裝置動作
鋁電解電容器的漏電流就是電化學過程，前面已經詳盡論述，不再贅述。
電化學過程將產生氣體，這些氣體的聚積將造成鋁電解電容器的內部氣壓上升，最終達到壓力釋放裝置動作泄壓。
溫度過高導致壓力釋放裝置動作
鋁電解電容器溫度過高可能是環境溫度過高，如鋁電解電容器附近有發熱元件或整個電子裝置就出在高溫環境;
鋁電解電容器溫度過高的第二個原因是芯包溫度過高。
鋁電解電容器芯包溫度過高的根本原因是鋁電解電容器流過過高的紋波電流。
過高的紋波電流在鋁電解電容器的ESR中產生過度的損耗而產生過度的發熱使電解液沸騰產生大量氣體使鋁電解電容器內部壓力及急劇升高時壓力釋放裝置動作。
3、瞬時超溫
通常鋁電解電容器的芯包核心溫度每降低10℃，其壽命將增大到原來的一倍。
這個核心大致位于電容器的中心，是電容器內部最熱的點。
展開 干貨 | 常用電容失效分析匯總
鉭電容器給設計工程師提供了在最小的物理尺寸內盡可能最高的容量，容量范圍從47μF~1000μF特別有體積的優勢，所以在集成度高又需要使用大容量，低ESR的場景下，鉭電解電容有其獨有優勢。
大容量低耐壓鉭電容的替代產品：高分子聚合物固體鋁電解電容器
高分子聚合物固體鋁電解電容器與傳統的電解電容相比，它采用具有高導電度、高穩定性的導電高分子材料作為固態電解質，代替了傳統鋁電解電容器內的電解液，它所采用的電解質電導率很高，再加上其獨特的結構設計，大幅改善傳統液態鋁電解電容器的缺點，展現出極為優異的特性。
理想的高頻低阻抗特性。高分子聚合物固體電解電容器的損耗極低，具有理想的高頻低阻抗特性，所以被廣泛應用于退耦、濾波等電路中，效果埋想，特別是高頻濾波效果優秀。
通過一個實驗可以更加直觀和清楚地看出高分子聚合物固體鋁電解電容器與普通電解電容之間的高頻特性明顯差異。在平滑電路輸入疊加1MHz（峰一峰值電壓8V）高頻干擾信號，用1只47uF的高分子聚合物固體電解電容器濾波，可使噪聲降到僅有峰一峰值電壓30mV輸出。要達到同樣的濾波效果，需要并聯4只1000uF的普通型液態鋁電解電容器，或者并聯接入3只100UF的鉭電解電容器。
此外，在高頻濾波效果更好的情況下，高分子聚合物固體鋁電解電容器的體積明顯小于普通型鋁電解電容器。
隨著工藝不斷提升，高分子聚合物固體鋁電解電容器優勢逐步顯現。同時，價格也需要進一步優化。
鋁電解電容的失效分析
鋁電解電容是電容中非常常見的一種。鋁電解電容用途廣泛：濾波作用；旁路作用；耦合作用；沖擊波吸收；雜音消除；移相；降壓等等。
展開 
干貨 | 電源設計中的電容選用規則
而普通電解電容器在100kHz 后就開始呈現上升趨勢，用于開關電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實驗中發現，普通CDII 型中4700μF，16V 電解電容器，用于開關電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF 型4700μF，16V 高頻電解電容器的低，同時普通電解電容器溫升相對較高。當負載為突變情況時，用普通電解電容器的瞬態響應遠不如高頻電解電容器。
由于鋁電解電容器在高頻段不能很好地發揮作用，應輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄膜電容器，其主要優點是：高頻特性好，ESR 低，如MMK5 型容量1μF 電容器，諧振頻率達2MHz 以上，等效阻抗小于0.02Ω，遠低于電解電容器，而且容量越小諧振頻率越高（可達50MHz 以上），這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應或動態響應。
濾波電容在開關電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個工程技術人員十分關心的問題。
50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100赫茲，充放電時間是毫秒數量級。為獲得更小的脈動系數，所需的電容量高達數十萬微法，因此普通低頻鋁電解電容器的目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優劣的主要參數。而開關電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達數萬赫茲，甚至是數十兆赫茲。這時電容量并不是其主要指標，衡量高頻鋁電解電容優劣的標準是“阻抗- 頻率”特性。要求在開關電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗，同時對于半導體器件工作時產生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。
展開 干貨｜深度分析電源設計中的電容選用規則
筆者在實驗中發現，普通CDII 型中4700μF，16V 電解電容器，用于開關電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF 型4700μF，16V 高頻電解電容器的低，同時普通電解電容器溫升相對較高。當負載為突變情況時，用普通電解電容器的瞬態響應遠不如高頻電解電容器。
由于鋁電解電容器在高頻段不能很好地發揮作用，應輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄膜電容器，其主要優點是：高頻特性好，ESR 低，如MMK5 型容量1μF 電容器，諧振頻率達2MHz 以上，等效阻抗小于0.02Ω，遠低于電解電容器，而且容量越小諧振頻率越高（可達50MHz 以上），這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應或動態響應。
在濾波電容器中我們著重講解在開關電源中怎樣選用濾波電容
開關電源怎樣選用濾波電容
濾波電容在開關電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個工程技術人員十分關心的問題。
50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100赫茲，充放電時間是毫秒數量級。為獲得更小的脈動系數，所需的電容量高達數十萬微法，因此普通低頻鋁電解電容器的目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優劣的主要參數。而開關電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達數萬赫茲，甚至是數十兆赫茲。這時電容量并不是其主要指標，衡量高頻鋁電解電容優劣的標準是“阻抗- 頻率”特性。要求在開關電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗，同時對于半導體器件工作時產生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。
展開 【深度干貨】電源設計中的電容選用規則
筆者在實驗中發現，普通CDII 型中4700μF，16V 電解電容器，用于開關電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF 型4700μF，16V 高頻電解電容器的低，同時普通電解電容器溫升相對較高。當負載為突變情況時，用普通電解電容器的瞬態響應遠不如高頻電解電容器。
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由于鋁電解電容器在高頻段不能很好地發揮作用，應輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄膜電容器，其主要優點是：高頻特性好，ESR 低，如MMK5 型容量1μF 電容器，諧振頻率達2MHz 以上，等效阻抗小于0.02Ω，遠低于電解電容器，而且容量越小諧振頻率越高（可達50MHz 以上），這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應或動態響應。
在濾波電容器中我們著重講解在開關電源中怎樣選用濾波電容
開關電源怎樣選用濾波電容
濾波電容在開關電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個工程技術人員十分關心的問題。
50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100赫茲，充放電時間是毫秒數量級。為獲得更小的脈動系數，所需的電容量高達數十萬微法，因此普通低頻鋁電解電容器的目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優劣的主要參數。而開關電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達數萬赫茲，甚至是數十兆赫茲。這時電容量并不是其主要指標，衡量高頻鋁電解電容優劣的標準是“阻抗- 頻率”特性。要求在開關電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗，同時對于半導體器件工作時產生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。
展開 為什么車規級電容、電阻、電感必過AEC-Q200認證
試驗條件注意事項：1000h試驗過程需在250h、500h進行間隔量測一、高溫儲存（MIL-STD-202-108）：[適用設備：THS]?1、薄膜電容、網絡低通濾波器、網絡電阻、熱敏電阻、可變電容、可變電阻、陶瓷共鳴器、EMI干擾抑制器、EMI干擾過濾器：85℃/1000h?2、電感、變壓器、電阻：125℃/1000h?3、變阻器：150℃/1000h?4、鉭電容、陶瓷電容、鋁電解電容：最大額定溫度/1000h?
二、高溫工作壽命（MIL-STD-202-108）：[適用設備：THS]?1、網絡低通濾波器、網絡電阻：85℃/1000h?EMI?2、干擾抑制器、EMI干擾過濾器：85℃/1000h/施加額定IL?3、鉭電容、陶瓷電容：最大額定溫度/1000h/?（2/3）負載/額定電壓4、鋁電解電容、電感、變壓器：105℃/1000h?5、薄膜電容：1000h/（85℃/125%額定電壓、105℃&125℃/100%額定電壓）6、自恢復保險絲：125℃/1000h?7、電阻、熱敏電阻、可變電容：125℃/1000h/額定電壓8、可變電阻：125℃/1000h/額定功率9、變阻器：125℃/1000h/額定電壓85％+ma電流10、陶瓷共鳴器：85℃/1000h/額定VDD+1MΩ，并聯逆變器，在每個晶體腳和地之間有2X的晶體CL電容11、石英震蕩器：125℃/1000h/額定VDD+1MΩ，并聯逆變器，在每個晶體腳和地之間有2X的晶體CL電容 三、溫度循環（JEDEC22A-104）：[適用設備：TSR、ESS]?1、薄膜電容、可變電容、可變電阻、陶瓷共鳴器、EMI干擾抑制器、EMI干擾過濾器：-55℃（30min）←→85℃（30min）/RAMP（15℃/min）/1000cycles?2、鉭電容、陶瓷電容、電阻、熱敏電阻：?-55℃（30min）←→125℃（30min
展開 AEC-Q200的環境試驗條件及注意事項
高溫儲存(MIL-STD-202-108)
薄膜電容、網絡低通濾波器、網絡電阻、熱敏電阻、可變電容、可變電阻、陶瓷共鳴器、EMI干擾抑制器、EMI干擾過濾器：85℃/1000h；
電感、變壓器、電阻：125℃/1000h；
變阻器：150℃/1000h；
鉭電容、陶瓷電容、鋁電解電容：最大額定溫度/1000h。
AEC-Q200各種實施標準檢測介紹
高溫儲存(MIL-STD-202-108)
薄膜電容、網絡低通濾波器、網絡電阻、熱敏電阻、可變電容、可變電阻、陶瓷共鳴器、EMI干擾抑制器、EMI干擾過濾器：85℃/1000h；
電感、變壓器、電阻：125℃/1000h；
變阻器：150℃/1000h；
鉭電容、陶瓷電容、鋁電解電容：最大額定溫度/1000h。
硬件特訓班問題解答【57問-13】
鋁電解電容的容值該如何選取？有計算公式嗎？
答: (1)首先不管是鋁電解電容還是普通電容，其都有兩種本質理解方式，一是C=εs/d；二是C=Q/V
(2)C=εs/d表明電容值其和材料和電容的構建方式工藝有關系
(3)C=Q/V是從電容的作用通過構建電場的方式進行存儲電荷，而很多時候我們的計算電容值其實是通過這一公式獲得的，為什么呢？因為在電路里面主要表現的是電壓電流量等變化，第一個公式無法產生鏈接，我們也不可能去測量他的截面積，寬度等參數，我們最容易獲得參數其實是電流，電壓等，而Q=I*t
(4)實際上我們可以對C=Q/V這一個公式進行變換==＞C=△Q/△V=△I*△t/△V,這樣我們就可以進行相關電容值的計算，只要知道紋波電壓即△V和對應的紋波電流的變化以及紋波信號的頻率，頻率的倒數就是△T，據此可以進行快速的電容值的計算
(5)在計算出電容值之后，我們整個電容值其受工藝即公差，溫度，偏置電壓，工作頻率，零漂等影響，然后我們還要保證可靠性，最終的電容值可以以計算出來的電容值的1.5倍進行選取。但是對于普通的MLCC等電容值則至少是2倍以上進行選取
(6)更詳細的內容可以參考老白硬件特訓班:
https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-21870440440.43.c3cb1839bIEpvV&id=631528631075
3. 這個圖中鋁電解電容，上端P為48V直流電，下端接地，電流最大不超過15A，容值選多大合適？上端P為直流電源供電48V，如果求容值的話，C=IT/V，直流電的頻率是0，那T不就是無窮大，C無窮大嗎？
展開 
硬件特訓班問題解答【57問-15】
鋁電解電容耐壓200V，我有幾秒鐘要給他260V電壓，他會壞嗎？會炸嗎？
答: (1)首先我們經常所說的鋁電解電容”炸”的概念指的是當電源的極性接反了之后鋁電解電容由于作為電解電容其具有極性，此時會發生爆炸
(2) 耐壓是200V給到260V幾秒鐘一般是不會壞的，但是會極大的影響鋁電解電容的使用壽命，這是一個可靠性的內容，我們的大部分器件都具備一定超過極限參數的承受能力，但是經常經歷這種超過極限參數的情況下會使得該器件呈幾何數級的驟減
48. d4 d5具體什么作用？
答: (1)首先我們的D4，D5的作用是作為退耦元件來使用
(2) 所謂的退耦元件指的是我們在做EMS防護電路設計中的一個基本原則
(3) 我們說EMS防護電路設計指的是:多級防護逐級遞減
(4) EMS防護電路由于浪涌能量的不同，一般我們是第一級主要是這種類似于GDT氣體放滴管這種大通流量的器件，而第二級或者第三級則主要是通流量小一些的MOV壓敏電阻或者TVS管
(5) 通流量GDT>MOV>TVS,但是響應時間是GDT<MOV<TVS,所以就存在一個悖論是我們原本想在最前面通過這種大通流量的器件去吸收浪涌等流量，但是如果不做任何處理的話，由于TVS管會優先相應，所以需要在這兩種器件之間加一個緩沖器件來讓浪涌能量去到TVS管之前GDT響應來承受比較大的沖擊能量
49. 何謂扇入、扇出、扇入系數及扇出系數？
展開 電容容量的關鍵： 微小的設計變革可以重塑超級電容器的未來
這可以防止濕氣經過電極端子進入電容器，并消除電解質干涸的問題。由于玻璃是無機材料，玻璃密封件保持永久密封性，因為它們不會隨時間老化或磨損。玻璃密封蓋子可定制，以滿足小罐和大罐型電容器的廣泛應用-包括徑向型、軸向型、卡扣型，超級電容器和雙電層電容器。玻璃-鋁密封(GTAS?) 是玻璃專家SCHOTT專為高能量密度電容器和電池開發的一項新技術。該設計來源于該公司在1939年研發的特種玻璃和玻璃-金屬密封方面的專業技術。
玻璃-鋁密封(GTAS?)具有廣泛的外在優勢。玻璃-鋁密封的使用溫度范圍廣泛，可耐受從-40 °C到+150 °C的溫度。提高密封性還意味著同樣大小或更小尺寸的電容單元可擁有更高的電容量。非老化玻璃密封的可靠密封性不僅延長產品保存期，還延長產品的使用壽命，即使在惡劣的使用環境下。
玻璃-鋁密封性能優異、應用廣泛
鋁電解電容器，包括尖端超級電容器，越來越多的被用新興應用中。潛在應用領域包括新能源汽車、高功率應用、重工業和可再生能源等。這些應用對電容器提出了新技術要求，需要長期高性能。這種創新要求正是GTAS發揮優勢的地方：防漏電容器蓋可用于不同尺寸電容器中，滿足其設計要求。
GTAS電容器蓋可減少20%的電容器封裝體積，減少60%的電容損失和50%的內阻。GTAS電容蓋可在極端溫度下使用，與有機密封相比，產品壽命均可延長10-15年。
展開 元件又焊反了，電路板又在冒煙了！
二、極性識別方法
1、片式電阻（Resistor）無極性
2、電容（Capacitor）
2.1 陶瓷電容無極性
▲ 圖2.2.1 陶瓷電容（無極性）
2.2 鉭電容有極性
PCB板和器件正極標示：1）色帶標示；2）“+”號標示；3）斜角標示。
▲ 圖2.2.2 鉭電容有極性
2.3 鋁電解電容有極性
零件標示:色帶代表負；PCB板標示:色帶或“+”號代表正極。
▲ 圖2.2.3 鋁電解電容有極性
3、電感(Inductor)
3.1 片式線圈
片式電感等兩個焊端封裝無極性要求。
▲ 圖2.3.1 片式電感無極性
3.2 多引腳電感類
多引腳電感類有極性要求。零件標示:圓點/“1”代表極性點；PCB板標示:圓點/圓圈/“*”號代表極性點。
▲ 圖2.3.2 多引腳電感類
4、發光二極管(Light Emitting Diode)
4.1 SMT表貼LED
表貼LED有極性。
零件負極標示:綠色為負極;
PCB負極標示：1) 豎杠代表；2) 色帶代表；3) 絲印尖角代表；4) 絲印“匚”框代表。
▲ 圖2.4.1 表貼LED器件
5、二極管(Diode)
5.1 SMT表貼兩端式二極管
表貼兩端二極管有極性。
展開 “輸入電解”和“輸出電解”電容的詳細計算
輸入側的電解電容計算
我們一般按照在最低輸入電壓下，最大輸出的情況下，要求電解電容上的紋波電壓低于多少個百分點來計算。當然，如果有保持時間的要求，那么需要按照保持時間的要求重新計算，二者之中，取大的值。
假如在最低輸入電壓下，電源的輸入功率為Pin，最低輸入交流電壓有效值為Vinacmin，那么我們一般認為此時整流后的直流電壓為Vinmin=1.2×Vinacmin，由于在交流兩次充電周期間，對后面變換器的供電都是由電容儲能來保證的，那么電壓跌落是可以計算出來的：
C×ΔV=I×Δt，
ΔV是電壓紋波，一般取Vinmin的10%～20%，I是電容對后面電路的放電電流=Pin/Vinmin
而Δt則是兩次充電的時間間隔（就是一個工頻周期內電容的放電時間），可以按照0.8×1/(2×fac)來考慮，說白了，就是交流整流后的半正弦周期中，80%的時間是靠電解電容儲能來供應給后面的變換器的。
那么由此我們就可以計算出輸入端的交流整流后濾波電解電容容量了。
輸入側的電解電容計算
輸出側的電解電容。輸出端的電解電容工作在高頻下，紋波電流對其影響很大，我們一般按照紋波電流的限制條件來計算輸出側的電解電容。
電解電容上的紋波電流有效值與次級整流二極管的電流有效值以及輸出電流的關系為：
電解電容的生產廠家通常會給出電解電容在某個頻率下，某個溫度時的額定紋波電流IRCrms。但實際使用過程中，我們需要考慮溫度效應與頻率效應。實際電容可以使用的紋波電流為IRCrms×溫度系數×頻率系數。不同的廠商，提供溫度系數和頻率系數參考點可能不同，要注意換算。
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