Những yếu tố nào ảnh hưởng đến tuổi thọ của tụ điện điện phân?

Nếu bạn nói chuyện với một nhóm kỹ sư thiết kế, bạn có thể nhanh chóng tin rằng tụ điện điện phân có một danh tiếng đặc biệt đáng ngờ. Quan điểm này chắc chắn không được cải thiện bởi cái gọi là “dịch tụ điện” đã xảy ra trong vài năm đầu của thiên niên kỷ mới. Một hỗn hợp điện phân lỗi được sử dụng trong các loại tụ điện này đã dẫn đến sự hỏng hóc sớm của thiết bị, và khá thường xuyên, một “hỗn độn nhỏ” đã được tạo ra trên các PCB mà chúng được hàn vào. Do tính chất nổi bật của các sản phẩm sử dụng một số thương hiệu tụ điện “bị dịch”, điều này trở thành tin tức lớn. Xem liên kết Wikipedia này nếu bạn muốn xem thêm chi tiết.

Tuy nhiên, bất chấp vấn đề của dịch tụ điện (mà Wikipedia báo cáo là do một nỗ lực gián điệp công nghiệp hỏng mà dẫn đến việc sử dụng công thức điện phân không chính xác), bài viết này tập trung vào việc giúp nhà thiết kế hiểu cách để kéo dài nhiều năm sử dụng hữu ích từ một tụ điện điện phân. Chúng tôi sẽ không đi sâu vào so sánh giá trị tuổi thọ của tụ điện điện phân cho các thành phần khác nhau. Điều quan trọng là bạn nhận được những gì bạn trả tiền, và thích hay không, tụ điện điện phân là một sự cần thiết trong nhiều thiết kế.

Nguyên nhân gây hỏng tụ điện điện phân là gì?

Cơ chế chính gây ra sự suy giảm và hỏng hóc của tụ điện điện phân là sự bay hơi chậm của điện phân theo thời gian, và tất nhiên, điều này càng trở nên tồi tệ hơn ở nhiệt độ cao. Điều này dẫn đến dung lượng thấp hơn và điện trở nối tiếp hiệu quả (ESR) cao hơn. Đó là một vòng luẩn quẩn bởi vì khi ESR tăng lên, hiệu ứng tự làm nóng do dòng điện dao động cũng tăng lên. Điều này sau đó có thể dẫn đến sự tăng nhiệt độ địa phương đáng kể có thể thúc đẩy vấn đề tiến xa hơn nữa. Trong quá khứ, điều này đã khiến một số công ty áp dụng quy tắc bảo trì theo kế hoạch, nơi tụ điện điện phân được thay thế bằng các thành phần thay thế phù hợp mỗi vài năm, đặc biệt là khi hệ thống được sử dụng trong các ứng dụng quan trọng.

Thông số kỹ thuật của tụ điện

Bạn thường thấy rằng một tụ điện điện phân sẽ có một con số tuổi thọ được nêu ra, chẳng hạn như 5000 giờ. Chúng tôi sẽ sử dụng bảng dữ liệu của TDK (trước đây là EPCOS) làm ví dụ về cách để giải thích thông tin này. Bảng dữ liệu này là cho một tụ điện B41888, và đó là một trong những tụ điện mà tôi đã sử dụng trong các sản phẩm khá quan trọng có tuổi thọ dự kiến dài. Tóm tắt bảng dữ liệu như sau:

Tôi đã làm nổi bật các khu vực liên quan bằng màu đỏ. Nó cho bạn biết rằng một tụ điện có đường kính 8 mm sẽ cung cấp 5000 giờ tuổi thọ hữu ích. Đó là tuổi thọ chỉ 208 ngày, mà bề ngoài, là một giá trị rất thấp. Tuy nhiên, con số đó là cho nhiệt độ hoạt động 105 °C. Nếu nhiệt độ hoạt động thấp hơn 10 °C, ở 95 °C, thì tuổi thọ sẽ tăng gấp đôi. Tuổi thọ sẽ tăng gấp đôi cho mỗi lần giảm 10 °C dưới 105 °C. Vì vậy, nếu nhiệt độ môi trường hoạt động của một tụ điện trong một mạch cụ thể được duy trì dưới 55 °C, bạn có thể sử dụng công thức sau để tính tuổi thọ thực tế:

Tuổi thọ hữu ích thực tế = [Tuổi thọ tại 105 °C] ∙2x 

Trong đó “x” là (105 °C - T_ACTUAL) chia cho 10. Ở nhiệt độ 55 °C, “x” = 5, và do đó tuổi thọ hữu ích tăng từ 5,000 giờ ở 105 °C lên 32 x 5000 giờ ở 55 °C. Đó giờ là 18 năm và thực tế hơn nhiều.

Ý nghĩa của "Tuổi thọ hữu ích" của Tụ điện là gì?

Liên quan đến bảng dữ liệu trên, cột bên phải được làm nổi bật thông báo cho bạn rằng dung lượng có thể suy giảm từ giá trị ban đầu xuống một giá trị có thể thấp hơn tới 40% trong suốt tuổi thọ hữu ích của linh kiện. Vì vậy, nếu bạn chọn một tụ điện 1000 μF cho thiết kế của mình, bạn có thể mong đợi giá trị ban đầu thấp nhất của nó là 800 μF dựa trên dung sai 20% của thiết bị được chỉ định trong bảng dữ liệu. Do đó, vào cuối "tuổi thọ hữu ích", kịch bản tồi tệ nhất là nó có thể đã giảm xuống còn 60% của giá trị ban đầu 800 μF này, tức chỉ còn 480 μF. Chỉ có bạn, như một nhà thiết kế, mới có thể nói liệu điều này có cung cấp hiệu suất cuối đời đủ tốt cho sản phẩm của bạn hay không. Điều cực kỳ quan trọng là bạn, như một nhà thiết kế, phải tính đến yếu tố suy giảm này.

Yếu tố Tiêu hao

Đối với thiết bị B41888, bảng dữ liệu cho chúng ta biết rằng “tan” có thể tăng lên gấp ba lần trong suốt tuổi thọ. Tan là yếu tố tiêu hao hoặc tỷ lệ của ESR so với phản ứng dung của tụ điện, và nó không nên bị nhầm lẫn với tangent mất mát. Để tham khảo, đó cũng là nghịch đảo của Q-factor. Với thiết bị B41888 có đánh giá 35 volt, tan được liệt kê là 0.12 tại 120 Hz. Một tụ điện 1000 μF có phản ứng dung là 1.326 Ω tại 120 Hz, điều này có nghĩa là ESR là 0.159 Ω.

Đó là con số cho một tụ điện chính xác 1000 μF, nhưng chúng ta đã thấy nó có thể cao tới 0.199 Ω cho một tụ điện nằm ở phạm vi dung sai ban đầu thấp (tức là, 800 μF). Tại cuối đời, chúng ta đã thấy rằng dung lượng có thể chỉ còn 480 μF, và do đó ESR có thể tăng lên 0.332 Ω. Cuối cùng, vì tan có thể suy giảm gấp ba lần trong suốt tuổi thọ, ESR có thể tăng lên tới 0.995 Ω. 

Bạn bắt đầu thiết kế của mình với một tụ điện có dung lượng danh nghĩa là 1000 μF (với ESR là 0.159 Ω), và bây giờ bạn có thể kết thúc với một tụ điện có dung lượng là 480 μF với ESR khoảng 1 Ω. Liệu thiết kế của bạn có thể đối phó với điều này không? Nó sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất? Gợi ý - các công cụ mô phỏng là đồng minh của bạn trong tình huống này; hãy sử dụng chúng để xem các ảnh hưởng.

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến tuổi thọ của tụ điện điện phân

Dòng điện xoay chuyển

Con số tuổi thọ B41888 giả định rằng nó hoạt động ở dòng xoay chuyển đầy đủ. Tuy nhiên, bạn cũng sẽ tìm thấy biểu đồ hữu ích này trong bảng dữ liệu áp dụng cho tụ điện có đường kính 8 mm:

Nếu bạn chọn hoạt động ở 50% dòng xoay chuyển định mức (0.5 trên trục Y), điều này tương đương với việc hoạt động ở nhiệt độ môi trường cục bộ thấp hơn 3 °C. Đó là sự tăng 23% tiềm năng về tuổi thọ, và đôi khi, mọi chút cải thiện nhỏ cũng đáng giá. Nếu bạn cần tăng cường dòng xoay chuyển, bạn cũng có thể lấy thông tin cần thiết từ biểu đồ này. Ví dụ, nếu bạn vận hành linh kiện ở 50% cao hơn dòng xoay chuyển định mức tại 65 °C, bạn vẫn đạt được 100,000 giờ tuổi thọ hữu ích như khi hoạt động ở một nửa dòng xoay chuyển định mức tại 71 °C. Điều quan trọng cần lưu ý là phần tối của biểu đồ là khu vực không nên tiếp xúc nếu bạn không muốn hỏng linh kiện.

Điện áp hoạt động của tụ điện

Bạn có thể đạt được sự tăng tuổi thọ đáng kể khi điện áp hoạt động thấp hơn điện áp định mức tối đa. Ước lượng thận trọng nhất là tuổi thọ tăng gấp đôi khi linh kiện hoạt động ở 50% điện áp định mức. Tất nhiên, điều này trở nên tỷ lệ thuận nhỏ hơn khi điện áp hoạt động tiến gần đến điện áp định mức tối đa. Tôi đã thấy những ước lượng ít thận trọng hơn nhưng, trong trường hợp không có bất kỳ dữ liệu nào từ thông tin của nhà sản xuất để chỉ ra điều ngược lại, tôi khuyên bạn nên tuân theo mối quan hệ tuyến tính này và không mong đợi bất kỳ sự cải thiện nào về tuổi thọ ngoài việc nó tăng gấp đôi.

Đọc Bảng dữ liệu

Có rất nhiều thông tin tiện lợi trong bảng dữ liệu. Ví dụ, đối với tụ điện B41888 mà chúng tôi đã tập trung ở đây, trích đoạn bảng dữ liệu chỉ ra rằng mặc dù thiết bị có đường kính 8 mm có tuổi thọ là 5,000 giờ, một thiết bị có đường kính 12.5 mm (hoặc lớn hơn) có gấp đôi tuổi thọ này là 10,000 giờ. Nếu giá trị dung lượng mục tiêu của bạn cho phép lựa chọn đường kính và bạn có không gian trên bảng mạch của mình, việc chọn một phần lớn hơn để cải thiện tuổi thọ sẽ có lợi. Ví dụ, nếu bạn chọn một linh kiện 100 μF, 35-volt mà bạn dự định vận hành ở 30 volt, bạn sẽ nhận được lợi ích tuổi thọ tốt bằng cách chọn phần định mức 63 volt thay thế.

Phần 35-volt có đường kính 8 mm, trong khi phần 63-volt là 10 mm. Tuy nhiên, phần 10 mm có tuổi thọ là 7,000 giờ, và điều này có thể tăng gấp đôi lên 14,000 giờ chỉ bằng cách vận hành nó ở 48% điện áp định mức. Phần 8 mm có tuổi thọ là 5,000 giờ chỉ tăng lên 5833 giờ nếu hoạt động ở 30 volt. Vì vậy, một sự tăng nhỏ 2 mm về đường kính mang lại sự tăng đáng kể về tuổi thọ.

Một yếu tố cần xem xét khác là mối quan hệ giữa tần số dao động và dòng điện định mức. Ví dụ, nếu thiết kế của bạn yêu cầu một linh kiện 1000 μF, 35-volt, bảng dữ liệu sẽ cho bạn biết nó có dòng dao động định mức ở 105 °C là 2.459 amp, nhưng đó là ở tần số 100 kHz được chỉ định. Vì vậy, nếu ứng dụng hoạt động ở tần số thấp hơn, bạn phải sử dụng biểu đồ dưới đây để xác định ảnh hưởng:

Ở tần số thấp, như 120 Hz, dòng dao động định mức chỉ là 65% giá trị ở 100 kHz. Điều này có nghĩa là để đánh giá đúng tuổi thọ trong ứng dụng 120 Hz, bạn chỉ được giới hạn ở dòng dao động định mức hạn chế hơn là chỉ 1.598 amp. 

Tỷ lệ Hỏng của Tụ Điện

Đừng nhầm lẫn sự suy giảm dần dần trong hiệu suất của một tụ điện điện phân qua thời gian dự kiến sống của nó là liên quan đến tỷ lệ hỏng hoặc MTBF. Sự cố hỏng đột ngột và không mong muốn của bất kỳ linh kiện điện tử nào khác biệt với cách mà linh kiện có thể “già đi.” Tất nhiên, nếu mạch bạn thiết kế ngừng hoạt động do tuổi thọ của tụ điện điện phân, đó là một sự cố hỏng từ quan điểm của người dùng. Tuy nhiên, sự hỏng của nhà thiết kế không phải là không nhận ra cách hiệu suất của linh kiện tự nhiên suy giảm theo thời gian. Nói cách khác, đó là một lỗi thiết kế chứ không phải lỗi linh kiện.

Một tụ điện điện phân sẽ có MTBF được đo bằng hàng triệu giờ. Mặc dù điều này có thể bị suy giảm bởi cả lượng năng lượng nó lưu trữ và nhiệt độ hoạt động môi trường của nó, nhưng vẫn cách xa so với tuổi thọ sử dụng thấp hơn nhiều của linh kiện.

Tại Sao Lại Sử Dụng Tụ Điện Điện Phân?

Nếu tụ điện điện phân có những vấn đề như vậy, tại sao chúng lại được sử dụng rộng rãi? Có một số lý do, nhưng quan trọng nhất là khả năng có được các định mức điện áp cao với dung lượng cao mà thường được yêu cầu trong thiết kế nguồn cung cấp. Do hóa học trong điện phân, không có loại linh kiện nào khác cung cấp được sự kết hợp giữa dung lượng cao và điện áp cao như vậy. Với các linh kiện khác, phần đó hoặc trở nên cực kỳ lớn, hoặc cần phải đặt một số lượng lớn linh kiện song song.

Trong một dự án trước đây, tôi cần sử dụng 20 tụ điện điện phân song song (3,300 μF, 35 volts) để tạo ra một thiết bị lưu trữ năng lượng đáng kể trong một thiết kế gần đây. Tôi đề cập điều này vì nó sẽ giúp bạn hiểu sự khác biệt giữa tuổi thọ và MTBF. Mạch nhận một dòng sạc thấp mA nhưng phải chịu các xung dòng tải thỉnh thoảng được đo bằng amp. 

Về toàn bộ tuổi thọ của thiết bị lưu trữ, tôi hoàn toàn kỳ vọng các thành phần song song sẽ suy giảm đồng đều theo thời gian. Nói cách khác, tuổi thọ của tất cả 20 thành phần được kỳ vọng sẽ giống như tuổi thọ của một thiết bị đơn lẻ. Tuy nhiên, đối với MTBF, giá trị của thiết bị đơn lẻ cần phải được chia cho 20 bởi vì các thành phần được mắc song song, và bất kỳ một trong 20 thành phần có thể hỏng do chập mạch, điều này sẽ gây ra sự cố của thiết bị.

Nơi Tìm Kiếm Các Bộ Phận Tụ Điện Đáng Tin Cậy

Vấn đề dịch bệnh tụ điện mà chúng tôi đã đề cập ở đầu bài viết này được coi là một “sự cố thích hợp” (tức là, liên quan đến tỷ lệ hỏng hóc) và không giống như một thành phần bị mòn qua tuổi thọ của nó. Liệu một vòi nước rò rỉ có được coi là một sự cố trong phòng tắm của bạn không? Câu trả lời rõ ràng là "không," đó chỉ đơn thuần là do mòn bình thường, điều này được mong đợi.

Khi bạn cần tìm các bộ phận cực kỳ đáng tin cậy với tuổi thọ tụ điện dài lâu, hãy sử dụng Bảng Tìm Kiếm Bộ Phận của Nhà Sản Xuất trong Altium Designer®. Bạn cũng có thể sử dụng nền tảng Altium 365™ để tìm các bộ phận đang được sản xuất, quản lý dữ liệu thiết kế của bạn, và gửi các tệp đến nhà sản xuất của bạn. Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể làm được với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để có mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong các Webinar Theo Yêu Cầu.