LED驱动电路专用电解电容器详解-电子工程世界

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前言

LED是一种寿命极长的电光源，使用寿命可以达到10万小时(约140个月，或者说连续使用11年半!)，一般的荧光灯的寿命一般应用不会超过1万小时。LED的另一个特点是光效高，实用化的大功率LED的光效已经超过T8荧光灯管。实际的LED灯的实际寿命并不高。在实际应用中，LED灯的实际使用寿命并不高，甚至有的不到一年就损坏了。

是什么原因造成LED等的过早损坏?原因在于LED驱动电路的可靠性不高，驱动性能不好。抛开驱动性能不好的因素，LED灯寿命短的根本原因就是驱动电路中的电子原件寿命远远低于LED的寿命。是哪个元件的寿命最短?电解电容器!

电解电容器的寿命

在LED驱动电路中，特别是交流市电驱动LED灯时，LED驱动电路必须要有输入整流滤波电路和输出整流滤波电路。输入整流滤波电路需要相对和大的电容量才能将整流输出电压平滑到允许范围。输出整流滤波电路也需要足够的电容量来维持电路的稳定性和输出电流的平滑。

最经济的大电容量电容器唯电解电容器是最佳选择。电解电容器最大的优点是经济性好，而最大的弱点是寿命短。

10年前的铝电解电容器一般为105℃/200小时。这就是说在105℃的温度条件下的使用寿命只有84天!即使降低到85℃，使用寿命也仅仅为332天，还不到一年!继续降低到75℃，寿命也不会超过两年。

相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。

解决问题的方法

无电解电容器的LED驱动技术

如果用十年前的铝解电容器技术的观点看，铝电解电容器是无法胜任LED等寿命的。解决方法一般为无铝电解电容器技术，这就是前些年风行的五铝电解电容器LED驱动技术的根本原因。但是不能不是的问题是，采用无铝电解电容器的后果是LED驱动电路的性能下降，间接的导致LED寿命的严重不足。

无电解电容器方案存在的问题

首先，无电解电容器方案使得市电整流输出电压纹波加大，如果不加以处理就会导致LED输出电压纹波的增加。如果LED工作在满功率状态，就可能出现市电频率下的周期性过电流(或过功率)

图中可以看到，大功率LED工作电流在0.7A时对应的正向电压约为3.4V，如果LED端电压波动0.2V，流过LED的电流将超过0.95A，对于0.7A的大功率LED，这绝对是一个过功率。最终结果会导致寿命的缩短。

如果工作电流选择最大额定电流的一半时，尽管不会出现过功率，但是会引起损耗的加大，而且会产生比较大的LED电流变化，会导致如50Hz电感镇流器驱动荧光灯那样的闪烁，甚至会更严重。

市电整流滤波电容器的问题

无铝电解电容器LED驱动始终避免不了的问题是：平滑电源侧整流输出电压需要足够的电容量，而采用薄膜电容器会明显增加成本，增加体积，不得已而选择低电容量，这又会输得整流输出电压纹波电压变大，特别是像PI的产品，当电容量低于1μF/W就会在变换器输出产生比较高幅值的纹波电压，会使得LED闪烁。

输除整流滤波电容器的电容量选择过低可能会产生反激式变换器的自激，因此不希望输出整流滤波电容器过低的电容量，但是非铝电解电容器的价格又太高。

输出整流滤波电容量对LED驱动的影响

如果LED驱动电路是反激式变换器，为了实现稳定，需要足够的电容量。如果电容量不够会引起电路的寄生振荡，使得LED严重闪烁。

控制IC电源旁路电容器的影响

控制IC电源旁路电容器不仅需要足够的电容量，还要具有良好的电源旁路性能，如果电容量过小就会引起控制IC电源电压的波动，从而引起输出电压的波动，导致LED的闪烁。

一、改进电解电容器的性能和寿命是解决LED驱动寿命的最简捷、最经济的方法

从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。

低压电解电容器是问题的关键。

相对而言低压电解电容器获得105℃1万小时的寿命要比105℃1万小时寿命的高压电解电容器难得多。最主要的原因是低压电解电容器需要极低的ESR，而极低的ESR需要大幅度提高电解液的导电率，而大幅度提高电解液电导率的最简单的办法就是提高电解液的含水量。所带来的问题就是“水合”反应的过早出现而导致电解电容器的早期失效。

国外超长寿命铝电解电容器的水平

在LED驱动工程师研究无铝电解电容器LED驱动技术的同时。随着铝电解电容器材料和制造技术的提高，铝电解电容器制造商在努力克服铝电解电容器寿命的问题。铝电解电容器在105℃温度下率先突破1万小时的铝电解电容器制造商是RUBYCON。

最难突破的难点是低压铝电解电容器，原因是低压铝电解电容器需要很低甚至极低的ESR，而要想获得极低的ESR，通常的技术就是提高电解液的含水量，所带来的问题就是因“水合”反应而导致铝电解电容器的早期失效，违背了超长寿命的技术要求。RUBYCON对这个问题非常重视，在不断的探索后推出了比较低含水率电解液的105℃/1万小时寿命的低压铝电解电容器。

105℃万小时级的低压铝电解电容器有RUBYCON的ZLH系列，这是一款高含水率的铝电解电容器，需要控制、抑制“水合反应”难度很大，因此现在RUBYCON建议采用相对低一些含水量的XYJ系列替代ZLH系列。

　　我国高压铝电解电容器现状

　　经过多年的节能灯用高压铝电解电容器应用实践和改进，国内高压铝电解电容器的寿命已经得到和大提高，很多铝电解电容器制造商已经可以制造出105℃/10000小时产品，可以满足3万小时以下的LED应用状态的驱动电路寿命。或者是分离式LED驱动电路的应用中基本满足LED寿命要求。但是，尚不能满足5万小时寿命的LED状态的驱动电路的需求。尽管如此，高压铝电解电容器还是迈出通向满足LED应用要求的第一步。国内已经有铝电解电容器制造商推出5万小时LED寿命的高压铝电解电容器。

　　低压铝电解电容器的现状

　　LED驱动应用中的低压铝电解电容器要求具有尽可能低的ESR、超长寿命、超长时间的电容量稳定性。目前国内大多数铝电解电容器制造商(包括我国台湾地区的铝电解电容器制造商)多数为105℃/5000~6000小时，对应LED应用状态，大约为1~2万小时，这个小时数远不能满足LED驱动要求。

　　高压电解电容器与低压电解电容器寿命差异所产生的冲突

　　在LED驱动电路中，决定寿命的是寿命最短的元器件。因而即使高压铝电解电容器的寿命问题得到解决，而低压铝电解电容器寿命得不到解决，最终LED驱动电路的寿命还是短的。所以105℃/1万小时低压铝电解电容器成为LED驱动电路中的关键。那么，为什么低压铝电解电容器的长寿命就那么难?

　　低压铝电解电容器存在的问题

　　低压铝电解电容器存在的最大问题就是因“水合”反应导致早期失效。最闻名的低压铝电解电容器因“水合”反应的事件有：

　　① 戴尔电脑主板铝电解电容器“爆浆”，戴尔赔偿客户3亿美元，而铝电解电容器制造商赔偿戴尔20亿美元!这款铝电解电容器是日本著名电容器制造商的产品。

　　② 三星视频终端在英国世界杯的铝电解电容器“爆浆”，电容器制造商最终被三星电子从采购目录中删除。这是我国某著名铝电解电容器制造商的产品;该产品还导致了一些不大不小的因“水合”反应导致的铝电解电容器早期失效。造成用户严重的经济损失—被索赔。

　　水合反应的后果

　　水合反应会在铝电解电容器的负极箔表面形成电阻率非常高的铝水合物。随着铝水合物的增长负极箔的电阻越来越大，在纹波电流作用下电解电容器的发热就会更加剧烈，最终导致铝电解电容器爆浆。如果是多个电容器并联使用，会出现首先第一个爆浆，不久就是第二个、第三个…

　　水合反应堆解电容器爆浆的特点

　　ESR数千倍的增加、电容量丧失殆尽、负极箔比容急剧降低、在显微镜下看会发现负极箔的“孔”基本被堵塞。将电解电容器拆解会看到至少是负极箔与电容器纸相粘连，甚至整个正负极箔与电容器纸相粘连。有些电解电容器制造商回复客户时也说上述问题，但是说是客户使用温度高造成，不承认是电容器的品质问题。

　　负极箔比容下降：材料分析：取解剖的正负铝箔，测试铝箔耐压值。1000μF/16V：正箔耐压下降为19.32V(SPEC≥22.0V)，比容为52.49μF/cm2(49.82≤SPEC≤59.36μF/cm2);负箔耐压正常为1.74V(SPEC≥1.5V)，比容下降为250 μF/cm2(SPEC≥340 μF/cm2)。

　　由于用户没有办法将水合反应的早期失效作为电解电容器早期失效的证据向电解电容器制造商索赔。只有通过第三方测试电解电容器存在早期失效问题才能作为电解电容器早期失效证据向电解电容器制造商索赔。

　　将可疑的电容器置于额定温度、额定电压、额定纹波电流条件下测试，如果没有达到厂商规定的寿命小时数(通常差距很大)就可以判定是早期失效。需要注意的是电解电容器的出厂批号一定和出问题是同一批次。常有电解电容器制造商在不同的批次用不同的电解液来改善水合反应问题。

　　“水合”反应是影响低压铝电解电容器寿命的最大障碍

　　为什么低压铝电解电容器会出现“水合”反应?这是由于低压铝电解电容器应用的特殊性：

　　主要应用领域：开关电源输出整流滤波，电脑主板电源旁路，LED驱动电路的输出整流滤波。

　　电脑主板、开关电源、LED驱动对低压铝电解电容器的特性要求：

　　尽可能低的ESR，由于电解液电导率的限制，常规低压铝电解电容器的ESR不可能做得极低。为了实现极低的ESR，最简单的办法就是提高电解液的含水率，含水率越高越有可能导致“水合”反应的早期失效，大家电容器制造商绞尽脑汁抑制高含水率电解液电解电容器的“水合”反应，这也是低压铝电解电容器技术壁垒之一。

　　不仅如此，制造高含水率电解电容器时需要极其严格的控制整个制造过程，稍有不慎，就会导致产品的“水合”反应的早期失效。甚至最早掌握抗“水合”反应的日本电解电容器制造商也很回避高含水率电解电容器。通常使用较低含水率的新款替代高含水率的电解电容器。

　　采用新技术来实现真正的超长寿命低压铝电解电容器

　　低压电解电容器要想实现105℃温度条件下万小时级，从产品质量控制和产品一致性角度考虑，应避开高含水率电解液。转而采用其它高新技术。

　　主要有高品质的较低含水率的电解液、新型腐蚀箔结构及其相关技术;严格的生产质量管理，如生产环境的洁净度、避免氯离子进入生产环节(如生产操作者呼吸排出的氯离子等)、如何避免水分进入电解电容器的芯子等

　　通过上述新技术、新材料和先进的生产管理措施的实施，采用较低含水率电解液的低压铝电解电容器完全可以获得105℃/1万小时的寿命。如RUBYCON的YXJ系列和我国的LKF系列。我国生产的LKF系列性能参数与RUBYCON的YXJ系列参数除体积稍大外，其他参数是一样的，甚至某些参数还超过RUBYCON的YXJ系列的参数。完全可以替代RUBYCON的YXJ系列。

　　相对于高含水量电解液的低压铝电解电容器，新型较低含水量的低压铝电解电容器的性能差一仅仅在于ESR稍大。例如同样是470μF/25V规格，RUBYCON的ZLH系列高含水率铝电解电容器的ESR仅为39mΩ，而较低含水率的YXJ系列低压铝电解电容器的ESR为80mΩ。对于470μF/25V规格的80mΩESR在应用上是没有问题的，没有必要非用39mΩ。

　　问题的解决

　　通过采用较低含水率电解液的低压铝电解电容器解决了低压、低阻铝电解电容器因“水合”反应所导致的早期失效问题。彻底避开因抗“水合”反应技术与工艺导致的产品价格的提高;确保了产品的一致性和稳定性。在超长寿命的低压铝电解电容器系列中。较低含水率低压铝电解电容器的价格要低于高含水率低压铝电解电容器。

　　5万小时的LED驱动使用寿命彻底解决了因铝电解电容器寿命问题而导致的LED灯寿命明显低于LED寿命的问题，彻底解决了铝电解电容器这块影响LED驱动寿命的短板。

　　二、电解电容器在LED驱动电路中的位置与作用

　　电解电容器的特点

　　电解电容器是各类电解电容器中最便宜的，因此常应用于需要足够电容量的单相整流滤波和DC/DC变换器或AC/DC变换器输出滤波电容器。

　　LED驱动电路实际上是开关电源的特例，也就是需要限压恒流的开关电源。由于LED照明需要散热器，因此LED驱动电路往往需要做成隔离型变换器。对于小功率LED驱动电路，为了降低成本，往往做成反激式开关电源。

　　如果将驱动电路与LED做在一体，驱动电路将工作在高温状态，需要各元件能够承受高温。LED寿命很长，可达数万小时，驱动电路也应满足这个要求，影响LED驱动电路的关键元件是电解电容器。相对节能灯电容器，体积要小。小体积需要具有更高品质的铝箔、电解液，体现了铝电解电容器制造核心技术的提升。

　　三、LED驱动电路需要的电容器的特性

　　LED驱动电路中需要电解电容器的地方为：

　　① 输入整流滤波

　　② 输出整流滤波

　　③ 控制IC电源旁路

　　3.1 输入整流滤波

　　输入整流滤波电容器的作用：

　　① 平滑输入整流电压

　　② 吸收来自整流电路产生的纹波电流

　　③ 吸收来自LED驱动电路产生的纹波电流

　　① 平滑输入电压

　　将输入整流滤波电压平滑到平均值的20%(交流176V整流后为200V，40V的纹波电压峰-峰值)需要1μF/W的电容量，如此大的电容量在低成本要求下只有电解电容器能满足要求。

　　② 来自整流电路产生的纹波电流

　　在滤波电容器的电容量选择1μF/W时，对应的滤波角频率为15.2弧度/秒。在整流滤波电容器的特性曲线上可以得到：流过电容器的电流几乎为整流输出平均值电流的约3倍!是交流输入电流有效值的约1.5倍。或者以输出功率计算约为7mA/W。考虑效率等综合因素，可以近似为10mA/W也可以近似理解为每位法电容量需要约10mA的工频纹波电流。除此之外，输入整流滤波电容器还要吸收来自LED驱动电路产生的纹波电流

　　③ 来自LED驱动电路产生的纹波电流

　　一般小功率LED驱动电路多采用反激式变换器电路拓扑，并且在220V电压等级时为电流断续型。在这种状态下，反激式变换器向整流输出索取的电流是断续的锯齿波，其交流成分需要有滤波电容起吸收，按占空比为0.4计算。每输出1W功率需要10mA有效值电流。综合考虑，每μF需要约15mA 有效值电流。

　　反激式变换器的输出整流滤波电容器也将流过比较大的电流。从稳定性角度考虑，也需要比较大的电容量。

　　这就要求输出整流滤波电容器不仅需要比较大的电容量，还要具有比较大的纹波电流承受能力。对输出整流滤波电容器的要求足够的电容量电容量过低会导致反激式变换器变得不稳定。很显然电解电容器是最佳的选择;

　　足够的纹波电流承受能力，要求电容器具有极低的ESR。如果采用电解电容器就需要选用极低ESR电解电容器。

　　输出滤波电容器流过的电流

　　正常设计出来的反激式变换器，输出整流二极管导通的占空比约为0.5，对应的滤波电容器流过的电流为输出电流平均值的120%。就是说输出1A平均值电流，滤波电容器就要流过1.2A的有效值电流。

　　3.2控制IC电源旁路电容器

　　控制IC电源旁路电容器同样要求具有LED应用状态的5万小时寿命，其中电容量的稳定性是至关重要的，关系到控制IC的电源电压是否平滑，以尽可能的减少对LED驱动电路输出的影响。

　　尽管这款电解电容器的电容量不大，体积很小，也没有多大的纹波电流流过。但是却需要长期稳定的电容量。特别是小体积更不利于超长寿命特性。

　　四、LED专用的长寿命电解电容器

　　日本RUBYCON推出ZLH、YXJ系列低压电解电容器和BXA、BXC系列高压长寿命电解电容器，直径10mm的电解电容器可以达到105℃/1万小时。按理论推算，在75℃环境下可以达到8万小时。考虑其他影响因素，达到75℃/5万小时寿命没有问题，这就与LED寿命相吻合。影响LED驱动电路的最后一块短板被去掉了，也许就不一定非要无电解电容器的LED驱动电路了。

　　我国是否也有长寿命电解电容器?

　　我国电解电容器制造商推出LKF、LKG系列高、低压LED专用长寿命电解电容器。

　　与RUBYCON的寿命对比实验结果如下：

　　高压电解电容器寿命实验的测试条件实验条件：温度:125℃;直流电压:351.0VDC;交流电压34.6VAC;纹波电流：88mA;电源：50HZ。实验目的：耐久试验验证寿命时间。试验时间:2010.4.7 15:20----2010.8.18 13:30(2500H)终止。

　　对105℃电解电容器做125℃高温寿命测试，很显然这是一个加速实验的方法。

　　6.8μF/400V高压电解电容器寿命试验数据

　　实验条件：温度:105℃;直流电压：21.0VDC;交流电压：2.8VAC;纹波电流：665mA;电源：120HZ。实验目的:耐久试验验证寿命：试验时间: 2009.10.10 13：00----2010.12.20.15:30(10000H)终止

　　结论

　　国产6.8μF/400V/φ10*17 LKG电解电容器与Rubycon：6.8/400 10*16 BXA的寿命测试基本一致，寿命均达到105℃/1万小时。

　　国产470μF/25V/φ10*17mm的LKG电解电容器与Rubycon：470μF/25V/φ10*16mm的BXA的寿命测试基本一致，寿命均达到105℃/1万小时。除尺寸稍大一点点外，国产长寿命电解电容器可以用于长寿命LED驱动电路中。基于多年的技术和研发的基础，国产铝电解电容器制造商已经推出与RUBYCON体积相同、性能相同的替代产品。

　　RUBYCON电解电容器的发展

　　RUBYCON的ZLH系列低压电解电容器的ESR极低，是高水系电解电容器，需要非常好的抗水合反应制造技术，当然其价格也会比较高。因此RUBYCON新推出YXJ系列低ESR电解电容器，是非高水系电解电容器，这样可以避免高水系电解液带来的水合反应控制的难度，同时也降低成本。然而所带来的问题就是ESR要比ZLH系列高近一倍，而且与国产LKF、LKG系列的水平基本一致。

　　RUBYCON的高压BXA系列由于含水量高，建议使用BXC系列。但是BXC系列的损耗因数将略大于BXA系列。这就是长寿命电解电容器的可靠性与高性能之间的折中结果。同时低压的YXJ也是ZLH的替代产品，这些都体现了高含水率逐渐被新工艺材料、新制造技术的常规含水铝电解电容器所替代。

　　这对于我国电解电容器制造商来说是个机遇，应该抓住这个机遇，发展出我国的长寿命LED驱动电路驱动用电解电容器。

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