Quelles caractéristiques de vieillissement doivent être prises en compte lors de la conception de circuits avec des condensateurs électrolytiques en aluminium pour dispositifs à montage en surface ?

Diminution de la capacité au fil du temps
Condensateurs électrolytiques en aluminium CMS présenter une évolution progressive réduction de la capacité au cours de leur durée de vie opérationnelle en raison de changements chimiques et physiques dans la couche d'électrolyte et d'oxyde diélectrique. La couche d'oxyde peut s'amincir légèrement et l'électrolyte peut sécher ou se dégrader chimiquement, provoquant une baisse mesurable de la capacité. Cette diminution est généralement progressive et peut aller de 10 % à 20 % sur des milliers d'heures de fonctionnement en fonction des conditions de fonctionnement telles que la température, la contrainte de tension et le courant d'ondulation. Les concepteurs doivent en tenir compte en sélectionnant un condensateur avec une capacité initiale légèrement supérieure au minimum requis pour l'application afin de garantir que le circuit continue de répondre aux exigences fonctionnelles même à mesure que le condensateur vieillit. Un déclassement approprié et la prise en compte de la durée de vie prévue peuvent éviter des performances insuffisantes dans les applications de filtrage, de découplage ou de stockage d'énergie.

Augmentation de la résistance en série équivalente (ESR)
Au fil du temps, le L'ESR des condensateurs électrolytiques en aluminium CMS a tendance à augmenter en raison du séchage de l'électrolyte, de la dégradation chimique et des modifications de la connexion interne des feuilles d'aluminium. Un ESR élevé peut réduire l’efficacité des circuits de puissance, provoquer un échauffement localisé et limiter la capacité du condensateur à gérer efficacement les courants d’ondulation. Dans les alimentations à découpage haute fréquence ou les convertisseurs DC-DC, même de petites augmentations de l'ESR peuvent avoir un impact sur la régulation de la tension, la suppression des ondulations et les performances thermiques globales. Les concepteurs de circuits doivent sélectionner des condensateurs avec une faible marge ESR initiale pour s'adapter à cette augmentation progressive, et garantir une conception et une disposition thermiques adéquates pour dissiper toute chaleur supplémentaire générée par une ESR plus élevée pendant la durée de vie du condensateur.

Variation du courant de fuite
Les condensateurs électrolytiques en aluminium CMS connaissent une augmentation du courant de fuite à mesure que l'électrolyte se détériore et que la couche diélectrique devient moins idéale. Bien que le courant de fuite soit généralement faible, il peut affecter les circuits sensibles tels que les minuteries à faible courant, les systèmes alimentés par batterie ou les circuits analogiques de précision, où même une fuite mineure peut entraîner une dérive de tension ou une perte d'énergie. Les concepteurs doivent tenir compte de l'augmentation possible des fuites au fil du temps et, si nécessaire, inclure une compensation du circuit, des résistances de protection ou une surveillance pour garantir que les fuites à long terme ne compromettent pas les performances du circuit ou la fiabilité du dispositif.

Vieillissement en fonction de la température
Le le taux de vieillissement des condensateurs dépend fortement de la température de fonctionnement . Des températures plus élevées accélèrent les réactions chimiques au sein de l'électrolyte, entraînant un séchage plus rapide, une augmentation de l'ESR et une réduction plus rapide de la capacité. Une règle générale est que chaque augmentation de 10 °C au-dessus de la température de fonctionnement nominale peut réduire de moitié environ la durée de vie attendue du condensateur. Les concepteurs doivent sélectionner des condensateurs avec une température nominale supérieure à la température de fonctionnement maximale prévue, assurer une gestion thermique adéquate des PCB et prendre en compte le flux d'air ou les dissipateurs thermiques pour atténuer le vieillissement accéléré et maintenir des caractéristiques électriques constantes tout au long de la durée de vie de l'appareil.

Effets des contraintes de tension
Une exposition continue à des tensions proches du maximum nominal peut accélérer le vieillissement et contribuer à la dégradation de l'électrolyte, à la rupture diélectrique et à l'augmentation du courant de fuite. Faire fonctionner un condensateur légèrement en dessous de sa tension nominale, généralement avec un Déclassement de tension de 20 à 30 % - réduit les contraintes sur le diélectrique et l'électrolyte, ralentissant la dégradation chimique et l'augmentation de l'ESR. Le déclassement de tension est particulièrement critique dans les applications à haute ondulation ou à tension pulsée, car les pointes transitoires peuvent encore accélérer le vieillissement et réduire la durée de vie si elles ne sont pas correctement gérées via la protection des circuits ou la sélection des condensateurs.

Contraintes mécaniques et considérations au niveau du conseil d’administration
Les contraintes mécaniques, telles que la flexion des PCB, les cycles thermiques et les vibrations, peuvent exacerber les effets du vieillissement des condensateurs électrolytiques en aluminium CMS. L'expansion et la contraction répétées du corps du condensateur ou des joints de soudure peuvent entraîner des microfissures dans les feuilles internes ou le diélectrique, affectant la capacité et l'ESR. Les concepteurs doivent garantir des techniques de soudage appropriées, sélectionner des condensateurs robustes pour les environnements à fortes contraintes et fournir un support mécanique ou un rembourrage adéquat là où des vibrations ou des cycles thermiques sont attendus. Ceci est particulièrement important dans les applications automobiles, industrielles ou aérospatiales où la fiabilité dans des conditions dynamiques est essentielle.