通過(guò)精心選擇并使用無(wú)源器件來(lái)確保汽車系統(tǒng)的可靠性

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

汽車電子產(chǎn)品需求不斷增長(zhǎng)，應(yīng)用范圍廣泛，包括引擎蓋下電子控制單元 (ECU)、信息娛樂(lè)系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 等等。汽車電子系統(tǒng)依賴一系列高性能元件來(lái)確?？煽啃院头€(wěn)健性，包括用于濾波和儲(chǔ)能的電容器、用于電路保護(hù)的壓敏電阻、用于緊湊型 ECU 的連接器以及用于支持連接的射頻和微波無(wú)源元件和天線。

電子器件在車輛中的位置不同，對(duì)溫度、沖擊和振動(dòng)、濕度、瞬態(tài)電壓、靜電放電 (ESD) 和其他環(huán)境因素的要求也會(huì)不同。在任何情況下，無(wú)源器件都需要符合 AEC-Q200 要求。

設(shè)計(jì)人員需要從一系列元器件中精心選擇，才能可靠地滿足一般汽車設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，特別要達(dá)到 AEC-Q200 的性能標(biāo)準(zhǔn)。這可能費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，具體取決于所涉及組件的數(shù)量和種類。

為了確保他們能夠應(yīng)對(duì)先進(jìn)汽車電子系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，同時(shí)最大限度地縮短產(chǎn)品上市所需的時(shí)間，找一個(gè)產(chǎn)品選擇范圍廣且通過(guò)汽車行業(yè)認(rèn)證的單一成熟供貨來(lái)源可能是設(shè)計(jì)人員的最佳選擇。這些產(chǎn)品包括電容器、電路保護(hù)裝置、連接器以及射頻和微波無(wú)源元件和天線。

本文簡(jiǎn)要比較了可供設(shè)計(jì)人員使用的幾種電容器技術(shù)的一些工作特性及其應(yīng)用的適用性，包括 [Kyocera AVX]示例器件。然后介紹了用于[汽車解決方案]的電路保護(hù)裝置、連接器、射頻和微波無(wú)源元件以及天線的例子。

汽車電容器

對(duì)于常見的應(yīng)用需求，如 10 伏 (V) 或更低電壓和最高 100 微法 (μF) 的電容，有多種電容技術(shù)在能力上基本差不多（圖 1）。這并不意味著它們同樣適合于每一種應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員在選擇時(shí)必須考慮的是其性能能力的微妙之處。一些重要的考慮因素包括電容隨應(yīng)用電壓的變化（電壓系數(shù)）、電容隨溫度的變化（溫度系數(shù)）以及等效串聯(lián)電阻 (ESR) 隨頻率的變化（阻抗曲線）。

圖 1：從額定電壓和電容的角度來(lái)看，各種電容器技術(shù)是相似的。（圖片來(lái)源：Kyocera AVX）

高電容-電壓 (CV) 級(jí)多層陶瓷電容器 (MLCC) 可以將大量電容裝入一個(gè)小封裝中。一些固體鉭和聚合物鉭電容器采用與高 CV MLCC 共同的封裝。氧化鈮電容器的額定體積比電容略低。高 CV MLCC 有兩種電介質(zhì)可選：

• X5R 電介質(zhì)可以在高 CV MLCC 中產(chǎn)生最高的額定電容，最高可達(dá) 100μF
• X7R MLCC 的限制最大容量通常約為 22μF，但具有出色的溫度穩(wěn)定性

例如，[12103C106K4T4A]X7R MLCC 的額定值為 10μF 和 25 伏。其電容在 -55 至 +125°C 期間的非線性溫度變化在 ±15% 以內(nèi)。X7R 的電容也隨電壓和頻率的變化而變化。X7R 電介質(zhì) MLCC 可以特別適合用于接受因施加電壓引起已知電容變化的應(yīng)用。

電壓和溫度系數(shù)

雖然它們相對(duì)穩(wěn)定，但高 CV MLCC 的電容會(huì)隨著偏置電壓向額定電壓 (RV) 增加而減少。鉭、氧化鈮和聚合物電容器具有平坦的電壓系數(shù)。此外，高 CV MLCC 在高溫和低溫下電容都會(huì)下降，而鉭、氧化鈮和聚合物電容的溫度系數(shù)最小（圖 2）。

圖 2：與 MLCC 相比，鉭電容器具有平坦的電壓系數(shù)（左邊兩個(gè)圖）和最小的溫度系數(shù)（右圖）。（圖片來(lái)源：Kyocera AVX）

ESR 與頻率

阻抗曲線也可能是重要的。高 CV MLCC 的諧振尖稅和 ESR 低，而鉭和氧化鈮電容器具有寬帶阻抗曲線（圖 3）。鉭和氧化鈮器件的 ESR 在低溫下都會(huì)增加。聚合物電容器具有寬帶阻抗特性，與鉭和鈮氧化物相比，其 ESR 較低。此外，聚合物器件的 ESR 在低溫下仍然很低，而鉭和氧化鈮電容器的 ESR 則會(huì)上升。

圖 3：鉭電容器有一個(gè)寬帶阻抗曲線（橙色），而高 CV MLCC 有較低的 ESR（藍(lán)色）。（圖片來(lái)源：Kyocera AVX）

用于 ECU 的鉭電容器

汽車 ECU 的設(shè)計(jì)者可以使用 Kyocera AVX 符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)的 F97 系列鉭電容器，其額定電壓為 6.3 至 35 伏，工作溫度范圍為 -55 至 125℃，電容最高 150 μF。例如，[F971A107MCC]的額定值是 100 μF 和 10 伏。

用于車身電子的聚合物電容器

與鉭電容器一樣，聚合物電容器的工作溫度范圍為 -55 至 +125°C，但聚合物可提供高至 50 伏的額定電壓，而鉭器件的額定電壓為 35 伏。通過(guò) AEC-Q200 認(rèn)證的 TCQ 系列聚合物電容器的電容高達(dá) 470 μF，在 125°C 時(shí)的額定壽命為 2000 小時(shí)，是 AEC-Q200 規(guī)范要求的兩倍。這些電容器在汽車上的應(yīng)用包括車身電子設(shè)備、信息娛樂(lè)系統(tǒng)、座艙控制和舒適系統(tǒng)，像 [TCQD337M004R0025E] 這樣額定值為 330 μF 和 4 伏的器件對(duì)這些應(yīng)用有大有裨益。

用于客艙系統(tǒng)的氧化鈮電容器

像 OxiCap NOJ 系列氧化鈮電容器的電容值高達(dá) 1000μF，額定電壓也達(dá) 10 伏。這些電容器設(shè)計(jì)用于工作電壓為 7 伏的應(yīng)用，如座椅位置模塊、安全氣囊控制和信息娛樂(lè)系統(tǒng)。其工作溫度范圍為 -55 至 +105℃。例如，[NOJC107M004RWJ]的額定值是 100 μF 和 4 伏。氧化鈮是一種本安型安全技術(shù)，具有高抗性和非燃燒故障模式。它們的可靠性也很高，在 85°C 下每工作 1000 小時(shí)的故障率為 0.5%。

高電壓 MLCC

除了高 CV 設(shè)計(jì)外，MLCC 的額定電壓可高達(dá) 5000 伏。Kyocera AVX 的 630 伏、0.15μF [1825CC154KAT2A] 通過(guò)了 AEC-Q200 認(rèn)證，設(shè)計(jì)用于高頻汽車電源轉(zhuǎn)換器的吸收電路和諧振器以及高壓耦合或直流阻斷。這些高壓芯片設(shè)計(jì)在高頻率下具有低 ESR。

超級(jí)電容器

超級(jí)電容器用于汽車系統(tǒng)的備用電源，能夠延長(zhǎng)電池壽命，并提供瞬時(shí)電源脈沖。AVX 的 SCC 系列的額定電壓為 2.7 伏和 3.0 伏，其電容范圍為 1 至 3000 法拉 (F)。[SCCV40E506SRB] 的額定電壓為 50 F 和 3 伏，最大 ESR 為 20 毫歐 (mΩ) （圖 4）。其乙腈 (ACN) 電解質(zhì)技術(shù)帶來(lái)了低 ESR 特性。大約每降低 10°C 或 0.2 伏，ACN 器件的預(yù)期壽命就會(huì)增加一倍，因此適合長(zhǎng)壽命應(yīng)用。此外還提供專門優(yōu)化的 SCC LE 系列零件，具有更低的 ESR。

圖 4：像 SCCV40E506SRB 這樣的超級(jí)電容器可以提供備用電力，延長(zhǎng)電池壽命，或提供瞬時(shí)電源脈沖。（圖片來(lái)源：Kyocera AVX）

ESD 保護(hù)

大多數(shù)汽車系統(tǒng)都需要 ESD 保護(hù)。Kyocera AVX 的 TransGuard 低鉗位型多層壓敏電阻通過(guò)了 AEC-Q200 認(rèn)證，設(shè)計(jì)用于需要較低鉗位-工作電壓比的場(chǎng)合。它們?cè)趩蝹€(gè)元件中提供雙向 ESD 過(guò)壓保護(hù)以及電磁干擾和射頻干擾 (EMI/RFI) 衰減，適用于 ECU、信息娛樂(lè)系統(tǒng)和車內(nèi)顯示器等應(yīng)用。[VLAS080516C350RP]的工作電壓為 16 伏直流電 (V 直流 ) 或 11 伏交流電 (VAC) ，擊穿電壓為 19.5 伏 +12%，鉗位電壓為 35 伏，電容為 900 皮法 (pF)（圖 5）。

圖 5：VLAS080516C350RP 是一種低鉗位型多層壓敏電阻，可提供雙向 ESD 保護(hù)和 EMI/RFI 衰減。（圖片來(lái)源：Kyocera AVX）

Kyocera AVX ASPGuard 系列是通過(guò) AEC-Q200 認(rèn)證的低電容器件，旨在用于射頻系統(tǒng)、傳感器、高速數(shù)據(jù)線以及其他有電容敏感電路需要進(jìn)行高能保護(hù)的應(yīng)用。ASPGuard ESD 保護(hù)器件具有低漏電電流，以及 -55 至 +150 ℃ 的工作溫度范圍和 18 至 70 V直流的工作電壓。例如，[VCAS04AP701R5YATWA] 的額定電壓為 70 V 直流 ，電容為 1.55 ±0.13 pF，漏電電流為 0.1 微安 (μA)。

用于 ECU 的卡邊緣連接器

高密度汽車 ECU 需要更高密度的互連解決方案，如圖 6 所示的 12 針位 [009159012651916]卡邊緣連接器。雙排 9159-650 連接器系列有 4 至 12 個(gè)針位，并具有交錯(cuò)的接觸條，使之針位數(shù)是類似尺寸的單排設(shè)計(jì)的兩倍。這些卡邊緣連接器提供有極性和無(wú)極性兩種版本。有極性連接器要求印刷電路板提供一個(gè)鍵，以防止誤插入。這些連接器設(shè)計(jì)用于 1.6 毫米 (mm) 厚的印刷電路板。它們采用鍍金觸頭，當(dāng)與印刷電路板上的鍍金焊盤配接時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高水平的可靠性和信號(hào)完整性，并能承載 2.5 A 的電流。

圖 6：009159012651916 12 針位卡邊緣連接器可支持高密度 ECU 連接需求。（圖片來(lái)源：Kyocera AVX）

車輛連接

越來(lái)越多的車輛應(yīng)用需要射頻和微波定向耦合器、電感器和天線，包括定位系統(tǒng)、無(wú)鑰匙進(jìn)入和車輛對(duì)一切 (V2X) 連接。定向耦合器是許多射頻信號(hào)鏈的一個(gè)重要組成部分。用來(lái)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行采樣，在信號(hào)和采樣端口之間具有高隔離度和低插入損耗，可支持分析、測(cè)量和處理。例如，[CP0603A0836ANTR]是一個(gè)射頻定向耦合器，工作在 824 至 849 兆赫 (MHz) 頻段，具有 20.0 分貝 (dB) 耦合、0.25 dB 最大插入損耗、28 dB 回波損耗和 22 dB 指向性。

射頻天線調(diào)諧在高性能汽車射頻應(yīng)用中非常重要，如 ADAS、V2X 通信和艙內(nèi)連接。[L0201R39AHSTR500] 射頻調(diào)諧電感器在 450 兆赫時(shí)具有 0.39 (±0.05) 毫微安 (nH) 的固定電感，額定電流為 550 mA，最大電阻為 100 毫歐 (mΩ)。它采用堅(jiān)固的薄膜多層結(jié)構(gòu)，支持自動(dòng)裝配。

緊湊而高效的天線是射頻系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。AEC-Q200 并不直接適用于天線，但 Kyocera AVX 嚴(yán)格按照 AEC-Q200 的程序和要求測(cè)試其汽車天線。因此像 [A1001013] Wi-Fi、藍(lán)牙和 Zigbee 天線這樣的 A 系列天線可推薦用于汽車應(yīng)用（圖 7）。

圖 7：A1001013 汽車級(jí)天線旨在用于 Wi-Fi、藍(lán)牙和 Zigbee 應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Kyocera AVX）

結(jié)語(yǔ)

隨著自主駕駛和聯(lián)網(wǎng)車輛數(shù)量的增多，對(duì) AEC-Q200 級(jí)無(wú)源元件的需求也大大增多，但此類元器件種類繁多、選擇多樣，這給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)者只精心選擇才能確保車輛高效、穩(wěn)定、可靠地行駛。如果能找到一個(gè)成熟、可靠的合作伙伴來(lái)提供汽車級(jí)電容器、電路保護(hù)裝置、連接器、射頻和微波無(wú)源元件和天線，那么就會(huì)大大提升這一選擇過(guò)程的速度和效率。