如何為汽車電子應(yīng)用選擇可靠的電容器

想要為當(dāng)今的汽車電子應(yīng)用選擇可靠的電容器，需要了解各電容器的性能特點(diǎn)以及不同應(yīng)用中的工作條件。與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格參數(shù)相比，應(yīng)用中的工作環(huán)境對(duì)實(shí)際電路性能構(gòu)成的影響很大，因此其對(duì)于最佳性價(jià)比解決方案的制定至關(guān)重要。

電容介質(zhì)的容量與電壓范圍

圖1展示了常用電容介質(zhì)典型容量和電壓范圍，往往有幾種重疊選擇。

圖1：電容圖解

雖然容量和電壓通常是器件選擇的主要參數(shù)，但還有許多其他參數(shù)有助于做出最佳選擇。如圖2所示，可見四種基本電容器的典型介電常數(shù) (K) 和介電強(qiáng)度值。低 K 值和低介電強(qiáng)度組合(如聚酯膜電容器)導(dǎo)致體積效率低。不過，由于損耗非常低，電氣特性非常穩(wěn)定且成本低，這些體積較大的器件仍得到廣泛認(rèn)可。

圖2

工作狀態(tài)下，電容器等效串聯(lián)電阻 (ESR) 是阻抗的實(shí)部，代表等效電路中電容器的損耗。這些參數(shù)值隨溫度、頻率和介質(zhì)類型而變化。絕緣電阻 (IR) 決定電容器給所施加電壓下電容通過的直流 (DC) 漏電流的大小，而靜電 (薄膜和陶瓷) 電容器的漏電流通常要低得多。直流漏電流隨溫度和施加電壓的大小而變化，感抗與電極類型有關(guān)。

電容器的重要參數(shù)

圖3展示了電容器的重要關(guān)系：容抗、耗散因數(shù)、感抗和阻抗。阻值非常高的電阻用來模擬絕緣電阻。方便起見，推導(dǎo)總阻抗 (Z) 時(shí)可以忽略。

圖3

阻抗是確定電容器對(duì)輸入信號(hào)影響的重要指標(biāo)。充/放電循環(huán)中，低 ESR 對(duì)實(shí)現(xiàn)高效、低熱損和可靠性至關(guān)重要。容抗 (XC) 和感抗 (XL) 表示儲(chǔ)能容量和電容器產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)。特別注意的是，當(dāng) XC 和 XL 相等時(shí)，達(dá)到器件諧振頻率。這一點(diǎn)在選擇去耦電容消除直流信號(hào)中的交流成分噪聲時(shí)很重要。

為了有效消除直流鏈路中的交流信號(hào)成分，應(yīng)選擇諧振頻率接近所要去除的交流噪聲頻率的電容器，以實(shí)現(xiàn)電小阻抗和電大去耦接地。

車載應(yīng)用類型通常分為動(dòng)力控制 (ECU 和傳動(dòng)) 和安全舒適控制 (如安全氣囊和溫控)，在考慮關(guān)鍵性能、可靠性和準(zhǔn)確性時(shí)，應(yīng)用類型很重要。另一個(gè)主要區(qū)別是車內(nèi)位置和由此產(chǎn)生的工作條件。發(fā)動(dòng)機(jī)艙應(yīng)用可能接觸或浸沒在鹽霧、水、燃油/機(jī)油中，工作溫度達(dá)到 125 °C甚至更高，振動(dòng)力可以達(dá)到 15 g，頻率最高可達(dá) 200 Hz。這些情況與座艙有很大不同。

事實(shí)上，另一種高容量技術(shù) (雙層電容器 EDLC) 由于受工作溫度極限 (85 °C) 影響，僅限于座艙應(yīng)用，如電子鎖電源備份。

不同電容器的特點(diǎn)和應(yīng)用

一般來說，電解電容器 (鉭、鋁和 EDLC) 容量高，但有極性，而靜電電容器 (聚酯膜和陶瓷) 無極性，通常 ESR 和阻抗非常低。

電解電容器

鉭器件建議采取電壓降額使用，固鉭電容電壓降額 50 %，聚合物和液鉭軸向電容電壓降額 80 %，以保證可靠性。為達(dá)到高容量器件往往需要具備的極低 ESR，電容器需要進(jìn)行浪涌測(cè)試/篩選。電壓降額情況下，典型故障率為 5 FIT (每工作十億小時(shí)出現(xiàn)一次故障) 到 15 FIT，它們的電氣特性隨時(shí)間和溫度的變化非常穩(wěn)定。

高容量是鋁電解電容的主要特點(diǎn);不過，溫度對(duì)器件性能有很大影響，不同產(chǎn)品系列工作溫度分別有 85 °C、105 °C、125 °C 和 150 °C。整個(gè)額定溫度和紋波電流范圍內(nèi)，器件正常磨損使用壽命達(dá) 10,000 小時(shí)，因此不需要進(jìn)行電流篩選?？梢酝ㄟ^降低任意一個(gè)參數(shù)來延長使用壽命。

靜電電容器

陶瓷電容器不必為保證可靠性采取電壓降額，但必須考慮容量的電壓系數(shù)，因?yàn)樵谶_(dá)到或接近額定電壓下工作時(shí)，電容器可能失去高達(dá) 40% 的容量。典型故障率低于 1 FIT，某些范圍內(nèi)可在 150 °C條件下輕松工作。故障模式為短路或參數(shù)漂移。

最后，聚酯薄膜電容額定溫度通常為 105 °C，盡管 PPS 器件工作溫度可達(dá) 125 °C (PET) 甚至 150 °C (PEN)。不必采取電壓降額，典型故障率約為 5 FIT，但表面貼裝產(chǎn)品有限。

這些特點(diǎn)的重要程度取決于應(yīng)用和所需體積大小、成本及制造工藝。不過，在考慮實(shí)際電路功能時(shí)，這些特點(diǎn)的確可以用于一般技術(shù)選擇。

電源濾波需要高容量、低 ESR、耐高溫，適合采用鉭、鋁和部分陶瓷電容。大容量儲(chǔ)能要求高容量和低 ESR，以滿足快速放電和脈沖應(yīng)用需求，對(duì)此，鉭、鋁以及部分聚酯薄膜電容被廣泛采用。調(diào)諧和時(shí)鐘電路要求容量在溫度和頻率范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，并且必須在熱循環(huán)下可重復(fù)。

這方面，I 類 (C0G / NP0 和高 Q 值) 陶瓷和聚酯薄膜電容通常是最好的解決方案。去耦/旁路功能要求 ESR 非常低，并具有良好阻抗 (Z) 性能。陶瓷、聚酯薄膜和一些專門設(shè)計(jì)的鉭聚合物器件是這種應(yīng)用的理想選擇。用于 EMI / RFI 過濾的 X / Y 級(jí)安規(guī)電容需要具備高電壓和脈沖性能，這方面只能使用薄膜和陶瓷電容器。

總之，選擇電容器是一個(gè)多維度考量過程。每種電容器都有各自的電氣特性、性能弱點(diǎn)以及機(jī)械特性和經(jīng)濟(jì)方面的考慮因素。其中每一項(xiàng)的重要性取決于應(yīng)用、環(huán)境條件和實(shí)際電路功能。由于可供選擇的電容器很多，因此參考每個(gè)制造商的技術(shù)規(guī)格選擇適用電容器至關(guān)重要。

作者介紹：Andrew Wilson

Andrew Wilson現(xiàn)任Vishay鉭電容器部產(chǎn)品營銷高級(jí)經(jīng)理。此前，他曾先后擔(dān)任TTI公司地區(qū)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理、森薩塔科技 (Sensata Technologies) 市場(chǎng)部經(jīng)理，以及歐司朗 (Osram) 北美OEM元件部主管營銷經(jīng)理。Andrew是一位資深機(jī)械工程師，擁有兩項(xiàng)專利和豐富的電子封裝集成經(jīng)驗(yàn)，獲得溫特沃斯理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位和東北大學(xué)MBA學(xué)位。

作者介紹：Florian Weyland

Florian Weyland現(xiàn)任Vishay陶瓷電容器產(chǎn)品營銷經(jīng)理。他是德國陶瓷協(xié)會(huì)會(huì)員，曾榮獲Hans-Walter-Hennicke獎(jiǎng)，并獲得2017年美國冬季研討會(huì)補(bǔ)助金。Weyland先生擁有德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位。

原文標(biāo)題：為汽車電子選電容器，這些選型知識(shí)必不可少!

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審核編輯：湯梓紅