【导读】本文为电源设计职员提供了一套行之有用的要领，用在丈量开关电源中铝电解电容(Al-Ecaps)的有用纹波电流，该参数是估算电容利用寿命的要害依据。这套要领借助LTspice处置惩罚实测数据，可以或许切确计较有用纹波电流，而纹波电流恰是致使电容内部发烧、加快机能衰减的焦点诱因。这套要领将示波器收罗的数据转换为分段线性(PWL)旌旗灯号源，经由过程主动快速傅立叶变换(FFT)阐发，计入与频率相干的加快因子。借助这套事情流，无需利用昂贵测试装备，也没必要依靠过在简化的类似估算，便可完成对于电容有用纹波电流和对于应内部温升的验证。

弁言

电源设计方案的稳健性，安身在产物具备可猜测的恒久利用寿命。对于在通例开关电源(SMPS)，靠得住性往往取决在铝电解电容(Al‑Ecap)的特征1。与其他类型的电容器差别2,3，铝电解电容采用液态电解质，易呈现扩散与挥发明象，于是成为整机首要寿命短板，更是决议体系事情寿命的要害因素1,4。

铝电解电容的预估寿命(LX)可经由过程以下模子计较：将制造牌号称的额定寿命，与一组思量运用中电气和热特征的加快因子相乘获得。该通用乘法公式可暗示为：

此中，L0为额定寿命或者电容设计寿命，KT为热加快因子，KV为电压加快因子，KR为纹波电流加快因子4,5。公式1会因电容器制造商而异；公式2显示了一个示例6。

此中，LX及LO以小时为单元，KT为情况温度加快因子，TO为种别温度规模的上限（以°C为单元），TX为现实情况温度（以°C为单元），ΔTO为额定纹波电流引起的内部温升（以°C为单元），ΔT为现实纹波电流引起的内部温升（以°C为单元），A为纹波电流而至温升的加快因子。

甚么是纹波电流？

纹波电流(IR)是指流经电容器的电流，凡是孕育发生在滤波运用中的充放电轮回历程。纹波电流孕育发生的内部发烧，与电流和器件等效串联电阻(ESR)呈二次函数瓜葛，如公式3所示。由此孕育发生的功耗会转化为热量，导致电容内部温升(ΔT)6。

因为SMPS由主电源频率及开关频率元件构成，是以公式3所描写的电容内部功耗可进一步推导为公式4，此中If一、If2及Ifn为频率f1到fn的纹波电流有用值(A rms)，Ffn为频率赔偿因子（频率倍增系数），而fo则是纹波电流基准频率6。

联合公式4与公式5，可经由过程公式6将肆意频率下的纹波电流折算为基准频率下的有用值(If0)6。

此外，由纹波电流引起的内部温升(ΔT)类似值可经由过程公式4计较。式中IX为电容现实事情纹波电流有用值(A rms)，IO为种别温度上限前提下、经频率赔偿后的额定纹波电流有用值(A rms)。公式7的计较成果可代入公式2中，用在推算电容器的预估寿命（单元：小时）6。

使用LTspice丈量电容器纹波电流

于功率因数校订(PFC)转换器中，输出真个铝电解电容不仅会蒙受整流环节孕育发生的100Hz或者120Hz低频纹波电流，还有会蒙受转换器开关事情所孕育发生的高频纹波电流。经由过程快速傅立叶变换(FFT)阐发，可获得各频谱份量下的纹波电流有用值。经由过程引入频率赔偿系数并对于各有用值举行乞降计较，便可使用公式6患上出总有用纹波电流。

图1：于电容引线上增长短接延长段，以便利用电流探头举行纹波电流丈量

为演示怎样使用LTspice丈量电容器纹波电流，本文彩用DC2104A评估板举行试验。该演示板是一款基在LT8312的离线式、界限导通模式(BCM)功率因数校订(PFC)升压转换器，可输出单路400V、150W稳压电压，合用在需要不变输入总线的运用场景。

起首，需于电容器引脚上加装短接延长段，以便接入电流探头，如图1所示。使电路于预期纹波电流最年夜的输入输出前提下事情，并调解示波器视图，让时间窗口尽可能包罗波形周期的整数倍，如图2所示。于纹波电流波形中，低频份量对于电容内部发烧的影响弘远在高频份量。是以，于履行FFT阐发时，利用的时间窗口必需等在最低频率份量的整数倍；本示例中采用120Hz (100Hz)。

图2：波形周期的整数倍(120Hz)

接下来，将示波器收罗到的纹波电流波形导出为CSV文件格局。为确保LTspice能准确辨认示波器导出的CSV数据，数据集格局必需与图3所示格局一致。详细操作步调为：于文本编纂器中打开CSV文件，删除了标题行，然后将所有逗号分开符替代为空格。

图3：将示波器导出的CSV文件编纂为LTspice可辨认的格局。

数据格局编纂完成后，于LTspice中创立一个新的道理图，并复制图4a中显示的配置。该道理图由一个分段线性(PWL)电压源与一个 1Ω电阻负载组成。根据图4b所示，将编纂好的CSV文件分配至PWL电压源；然后履行瞬态仿真，仿真时长需与示波器收罗数据的时间跨度连结一致。于运行仿真前，务必确保利用的是最新版本的LTspice。完成上述操作后，检测电阻中的电流便可获得纹波电流波形，如图5所示。

图4：(a) 含PWL电压源与电阻的LTspice道理图（左）；(b) 将数据分配至PWL电压源（右）

图5：LTspice中DC2104A评估板上主电容的纹波电流

为实现切确的FFT阐发，输入波形必需持续且具备周期性。假如示波器或者LTspice中显示的波形于边沿处存于间断点，对于该类数据履行FFT阐发会致使成果与真实值呈现显著误差。针对于这一问题，可经由过程施加窗函数来光滑间断点，使波形出现持续特征7。而于LTspice中，还有可经由过程缩放波形来消弭低频间断点。详细要领是调解时间轴，使其显示波形周期的整数倍，本示例中波形频率为120Hz (100Hz)。操作时，可右键单击时间轴，响应修改最左值、刻度间距与最右值。如图5中的示例所示，最左值为1.2ms，最右值为76ms。

图6：(a) LTspice FFT功效；(b) 利用当前缩放区间

于波形窗口处在勾当状况时，按图6a所示操作，于菜单栏依次单击View（视图）→ FFT。履行该操作后，软件将基在图6b中所选确当前缩放区间数据，天生FFT阐发成果。右键单击Y轴并选择线性显示方式，右键单击X轴并将规模设置为10Hz至1MHz，便可获得如图7所示的纹波电流频域波形。

图7：DC2104A评估板上主电容纹波电流的FFT阐发成果

从菜单栏中，选择File（文件） Export Data as Text（导出数据为为本），以天生包罗FFT成果的CSV文件。数据可采用直角坐标格局或者极坐标格局导出。要害步调是经由过程公式8计较各频率下的幅值（D列），再按数值从年夜到小排序（F列），如图8所示。

此中，Iripple(Re)为直角坐标格局下纹波电流数据的实部，Iripple(Im)为虚部。

图8：对于各频率份量的幅值举行计较与排序，以求解有用纹波电流

计较基频下的纹波电流时，需采用电容器数据手册中给出的频率校订系数（E列）。按照数据中获得的纹波电流频率（A列），确定所需采用的电容频率校订系数。然后，利用公式6计较电容的有用纹波电流。

于界限导通模式PFC转换器中，开关频率不是固定稳定的，是以务必对于尽可能多的频率份量乞降，才能更切近现实纹波电流，本文示例即采用此种方式。不外，于开关频率固定的持续导通模式PFC转换器中，只需拔取开关频率和其谐波处的极少量纹波电流峰值便可简化计较。对于前1000个最年夜峰值点计较获得的有用纹波电流为0.76 A rms。随后可经由过程公式7计较预估内部温升(ΔT)；此中，电容额定参数（如额定纹波电流(IO)和其对于应内部温升(ΔTO)）均取便宜造商的数据手册。

结论

LTspice仿真为评估电源设计中铝电解电容的有用纹波电流提供了高效靠得住的要领。此外，仿真输出可以或许清楚出现各频率对于应的频谱份量，联合源自数据手册的频率校订系数，便可切确计较电容的内部温升与利用寿命。

参考文献

1 Martin，“MTBF – Is It A Prediction of a Power Supply’s Operating Life?” TDK Lambda，2020年2月。

2 Bryan A. Borres、Ino L. Ardiente、Jahres R. Satur、Flordeliza Valiente及Jesus Martinez，“Design Optimization of a Two-Phase Interleaved Transition Mode Boost Converter for Power Factor Correction”，2019年IEEE第11届人形呆板人、纳米技能、信息技能、通讯与节制、情况和治理国际集会(HNICEM)，2020年4月。

3 Tianyu Chen、Sen Li及Babak Fahimi，“Analysis of DC-Link Voltage Ripple in Voltage Source Inverters Without Electrolytic Capacitor”，IECON 2018 – IEEE工业电子学会第44届年会，2018年12月。

4 Marcantonio Catelani、Lorenzo Ciani、Roberto Singuaroli及Andrea Mannucci，“Electrolytic Capacitor Lifetime Prediction In Ground Mobile Applications”，第13届IMEKO TC10技能诊断钻研会，2014年6月。

5 “Lifetime Estimation of Capacitors”，AIC tech Inc.

6 “Lifetime of Aluminum Electrolytic Capacitors”，日本贵弥功股份有限公司。

7 “How to Measure Ripple Current Using the FFT Analysis Function”，日本贵弥功股份有限公司

8 “Snap-in Aluminum Electrolytic Capacitors”，Rubycon。

作者简介

Ino Lorenz Ardiente今朝于ADI菲律宾公司的电源解决方案部担当电源架构工程师。他拥有马尼拉市立年夜学(Pamantasan ng Lungsod ng Maynila)电子工程学士学位及马普阿年夜学电力电子研究生文凭。2025年插手ADI以前，他于高功率AC-DC及DC-DC转换器的设计、测试及评估方面拥有6年多的从业经验。

Bryan Angelo Borres是经TÜV认证的功效安全工程师，今朝卖力多个工业功效安全项目。作为高级电源运用工程师，他协助元器件设计师及体系集成商设计切合工业功效安全尺度（如IEC 61508）的功效安全电源产物。Bryan是菲律宾到场国际电工委员会(IEC)TC65/SC65A技能委员会的国度委员会成员，同时也是IEEE功效安全尺度委员会成员。他拥有电力电子专业研究生文凭，于高效、稳健的电力电子体系设计方面拥有跨越七年的富厚经验。