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选择支持汽车应用的可靠电容器

时间:2021-10-13 作者:Vishay钽电容器业务部产品营销高级经理Andrew Wilson 阅读:
想要为当今汽车电子产品选择性能可靠的电容器,需要仔细分析各类参数。首先,必须了解各种电容技术的性能特点。其次,应考虑汽车环境和特定应用,从而找到成效比优异的可靠解决方案。
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想要为当今汽车电子产品选择性能可靠的电容器,需要仔细分析各类参数。首先,必须了解各种电容技术的性能特点。其次,应考虑汽车环境和特定应用,从而找到成效比优异的可靠解决方案。本文将探讨四种主要电介质电容器的特点:钽电解、铝电解、薄膜和陶瓷。此外,还将说明汽车环境,并列出汽车应用的一般类别。

图1展示了一些常见电容器电介质的典型容值和电压范围。有趣的是,针对需要大约0.1 μF到100 μF的电容值和小于50 V的电压的应用,存在多种选择。为了进一步明确这些不同类型电容器的性能特点,我们需要了解一些电容器的基础知识。

图 1

图2显示了这四种基础电容器的典型电介质常数(K)和电介质强度值。当K值和电介质击穿强度较低时(如薄膜电容器),电容器的容积效率也很低。不过,物理尺寸只是给定电容器类型的一个特征。例如,薄膜电容器体积相当大,但却具有极高的效率和电介质稳定的特点。

图2

电容器等效电路如图3所示。等效串联电阻(ESR)是阻抗的主要部分,代表电容器的损耗。ESR值因温度、频率和电介质类型而不同。绝缘电阻(IR)决定了给定电压下电容器直流漏电流的大小。薄膜和陶瓷(静电)电容器的漏电流通常比钽和铝(电解)电容器低得多。直流漏电流随温度和施加电压的大小而变化。

图3

图4中的公式揭示了电容器的重要关系:容抗、耗散因数、感抗及阻抗。注意:用于模拟绝缘电阻(IR)的是一个阻值非常高的电阻,为简单起见,在推导总阻抗(Z)时通常将其忽略。

图4

Z在确定电容对输入信号的影响时很重要。充/放电循环期间,低ESR是实现高效率、低热耗和可靠性的关键。容抗(X)和感抗(XL)表示器件能量存储容量和感应场生成。注意,当XC与XL相等时,达到器件谐振频率。选择通过去耦电容用来去除直流(DC)信号中的交流(AC)分量/噪声时,这一点很重要。为有效去除直流电源轨的交流信号分量,应选择谐振频率接近去除交流噪声频率的电容器,以减小阻抗,最大化对地去耦。 

电子元件的汽车应用一般分为六个领域:

1. 动力总成控制系统(电控发动机、变速器和排放控制)。目前,电动汽车的发展为功率转换和电控元件增加了大量新的机会

 2. 车辆控制(防抱死制动、主动悬架、牵引控制、助力及四轮转向)

 3. 安全、舒适和便利(安全气囊执行器、防碰撞、空调、巡航控制和防盗)

 4. 车载娱乐

 5. 驾驶员信息显示和音频报警系统

 6. 诊断和维修

其中,一些汽车工作环境也会比其他环境更为严苛。图5向大家展示了发动机舱和车厢工作条件的特点。

图5

介绍完主要的汽车环境和应用,我们将研究四种主要电容器技术的特点,及其对电路性能和长期可靠性的影响。

根据最常用的分类标准,大多数电容器可分为两种基本构造类型:静电(薄膜、陶瓷)和电解(钽、铝)电容器。静电电容器是非极性器件,一般ESR和阻抗非常低。电解电容器通常容值更高,且有极性之分。

钽电容器:

  • 额定电压2.5 VDC至63 VDC表面贴装器件(SMD) 和125V轴向引线型。注意:为获得优异的可靠性,固态钽电容器工作电压应降至额定电压的50%,钽聚合物和液钽轴向电容器降至额定电压的80%
  • 电气特性时间和温度变化非常稳定
  • 表面贴装器件容值达2200 μF,轴向液钽电容器容值高达10,000 μF
  • 较大外形尺寸表面贴装器件需要浪涌测试/筛选(低ESR,高容量)
  • 正常电压降额条件下典型故障率为5 FIT - 15 FIT(每十亿小时故障次数)

容器:

  • 额定电压6.3 VDC至450 VDC(表面贴装器件)。大型圆柱式铝电容工作电压更高
  • 85、105或120度额定温度
  • 表面贴装器件容量最高10mF 
  • 不需要浪涌电流筛选 
  • 铝电容存在自然磨损机理,满额定电压和最高温度条件下使用寿命限于5,000小时。降额至额定电压的80 %,使寿命可延长2倍

陶瓷容器:

  • 额定电压为6.3 VDC至5,000 VDC(大多数使用条件为100 V或以下);不需要电压降额,但必须考虑容值的电压系数。在额定电压或接近额定电压下工作时,多层陶瓷电容(MLCC)有效容值可能下降40 %
  • 工作温度可能超过150度
  • 非极性器件(可批量进料高速插件)
  • ESR和直流漏电流非常低
  • 典型故障率低于1 FIT;典型故障模式为短路或参数漂移

电容

  • 额定电压为16 VDC至2,000 VDC; 不需要电压降额
  • 大部分类型工作温度为105 C (PPS为125 C) 
  • 超低ESR和直流漏电流
  • 典型故障率低于5 FIT;典型故障为开路或参数漂移
  • 表面贴装产品有限

上列特征有助于设计工程师在电容器选型中做出选择。另外,成本、尺寸和工艺性也是需要考虑的因素。

为特定应用选出最适合的电容器往往并不容易。下面针对汽车和其他电子电路中的主要电路类型,我们提供了一些通用指南。

  1. 电源滤波:高容量、低ESR、耐高温——钽、铝电容器(部分陶瓷和薄膜电容器)
  2. 大容量储能:高容量、低ESR(用于快速放电和脉冲应用)——钽、铝电容器(部分薄膜电容器)
  3. 调谐时序:温度和频率范围内容值稳定,热循环下可重复——陶瓷电容器(NP0型),薄膜电容器
  4. 去耦/旁路:ESR非常低,良好的Z特性——陶瓷电容器,薄膜电容器

选择电容器需要考虑多方面的问题;每种电容器都有各自的特点,这些特点决定了某种电容器可能是给定应用最合理的选择。电容器成本、尺寸、封装类型和生命周期内可靠性问题也是重要考虑因素。由于有多方面的选择,因此必须参考每个制造商具体电容器的技术规格。作为电容器技术和制造领域的领导者,Vishay随时为电子设计工程师提供各种汽车应用选择。服务于全球客户,Vishay始终承载着科技基因——The DNA of tech.™。

 

作者

Andrew Wilson

Andrew Wilson现任Vishay钽电容器业务部产品营销高级经理。此前,他曾担任TTI地区业务开发经理、Sensata Technologies市场部经理和欧司朗(Osram)北美OEM组件部首席营销经理。Andrew 是一位拥有两项专利和电子封装集成经验的机械工程师,毕业于Wentworth Institute of Technology,获得Northeastern UniversityMBA学位。

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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