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如何为汽车应用选择可靠的电容器

时间:2021-12-25 07:41:06 作者:Andrew Wilson 阅读:
为当今汽车电子设备选择性能可靠的电容器时需要考虑好几个参数。首先必须了解各种电容器技术的性能特征。其次,必须考虑汽车环境和特殊应用场景,才能确定最具成本效益和最可靠的解决方案。
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为当今汽车电子设备选择性能可靠的电容器时需要考虑好几个参数。首先必须了解各种电容器技术的性能特征。其次,必须考虑汽车环境和特殊应用场景,才能确定最具成本效益和最可靠的解决方案。

本文介绍了四种主要电容器电介质类型的特性:钽电解、铝电解、聚合物薄膜电容和陶瓷电容,另外描述了汽车环境,并列出了针对汽车应用的通用分类。

图1显示了一些比较流行的电容器电介质类型的典型电容值和电压范围。有趣的是,对于要求电容值大约0.1μF到100μF范围和电压小于50V的应用来说,有多个重叠的选择区域。为了进一步了解这些不同电容器类型的性能特征,我们需要了解一些电容器的基础知识。

图1:电容器技术的比较,可以明显看出电压和电容值范围的选择有重叠区域。资料来源:Vishay

图2显示了四种基本电容器类型的典型介电常数(K)和电介强度值。低K值和低电介击穿强度的组合——例如聚合物薄膜电容器的情况——会导致低容积效率。然而,物理尺寸只是某个电容器类型的一个特征。例如,虽然薄膜电容器的尺寸相当大,但它们可以提供极高的效率和稳定的电气特性。

图2:电容器电介特性对于做出正确的设计选择至关重要。资料来源:Vishay

图3给出了所有电容器的等效电路。等效串联电阻(ESR)是阻抗的实部,代表电容器的损耗。ESR值随温度、频率和电介质类型变化而变化。绝缘电阻(IR)决定了电容器在给定施加电压下流过的直流泄漏电流量。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幅度的变化而变化。

图3:电容器等效电路突显了等效串联电阻(ESR)和绝缘电阻(IR)的作用。资源来源:Vishay

图4中的公式表达了重要的电容器参数之间的关系:容抗、耗散因数、感抗和阻抗。需要注意的是,用于建模绝缘电阻的电阻器有着非常高的电阻值,为简单起见在推导总阻抗(Z)时可以忽略。

图4:图中所示公式展现了重要的电容器参数之间的关系。

总阻抗Z在判断电容器如何影响输入信号方面很重要。在充电/放电循环期间,低ESR是实现高效率、低热能损失和可靠性的关键。容抗(XC)和感抗(XL)体现的是有关器件的能量存储容量和感应场产生的信息。请注意,当XC和XL相等时,就达到了设备的谐振频率。选择去耦电容器以去除直流信号中的交流分量/噪声时,这个知识点很重要。为了有效地从直流电源轨中去除交流信号分量,务必选择谐振频率接近不需要的交流噪声频率的电容器,以实现最小阻抗和最大对地去耦的效果。

电子元件的汽车应用一般可分为如下六个通用领域:

动力系统控制:电动机、变速器和排放控制。如今电动汽车的蓬勃发展为电源转换和控制电子设备增加了许多新的机会。

车辆控制:防抱死制动、主动悬架、牵引力控制、动力和四轮驱动转向。

安全性、舒适性和便利性:安全气囊执行器、防撞、温湿度控制、巡航控制和防盗。

车内娱乐系统

驾驶员信息显示和声音警告系统

诊断和维修

一些汽车环境条件比其他环境条件要求更高。图5描述了发动机舱和乘客舱的环境条件。

图5:汽车环境一瞥,强调了发动机舱的环境条件。来源:Vishay

在描述了主要的汽车环境和应用之后,接下来介绍四种主要的电容器技术,并指出会影响电路性能和长期可靠性的一些特性。

在最一般的分类中,大多数电容器属于两种基本结构类别之一:静电(聚合物薄膜和陶瓷电容)和电解(钽和铝)电容器。静电电容器是非极化器件,通常表现出非常低的等效串联电阻(ESR)和阻抗。电解电容器通常具有更高的电容值,但会被极化。

钽电解电容

钽电解电容一般是额定电压从2.5VDC至63VDC的贴片器件,采用125V轴向引线。注意:为了获得最高的可靠性,固体钽电容的实际施加电压降额至额定电压的50%,钽聚合物和湿块状轴向钽电容则降额至80%。

钽电解电容随着时间和温度的变化具有非常稳定的电气特性

贴片钽电容的容量最高为2,200μF,轴向湿块钽电容的最大容量可达10,000μF。

浪涌测试/筛选和更大的贴片外壳尺寸(低ESR值和大电容值)。

在正常电压降额使用条件下的典型失效率为5FIT至15FIT(每10亿小时失效数)。

铝电解电容

贴片式铝电解电容的额定电压从6.3VDC至450VDC,大罐式铝电容则有更高的电压。

温度等级有85℃、105℃或120℃。

贴片式铝电容的最大容量为10mF。

无需浪涌电流筛选。

铝电解电容具有自然磨损机制,在完全额定电压和最高温度条件下的使用寿命将限制为5,000小时。如果降额至额定电压的80%,使用寿命可延长两倍。

陶瓷电容

陶瓷电容的额定电压从6.3VDC到5,000VDC(大多数使用场合为100V或更低);电压无需降额使用,但必须考虑电容的电压系数。在额定电压或接近额定电压下工作时,多层陶瓷电容(MLCC)的有效电容值可能最多会损失40%。

陶瓷电容的工作温度可以超过150℃。

无极化(在高速插入时可大电流充电)。

陶瓷电容具有非常低的ESR和直流漏电流。

典型失效率小于1FIT;典型失效模式是短路或参数漂移。

聚合物薄膜电容

额定电压从16VDC至2,000VDC;无需降额工作。

大多数聚合物薄膜电容的最高工作温度为105℃(PPS电容为125℃)。

超低的ESR和直流漏电流

典型失效率小于5FIT;典型失效模式是开路或参数漂移。

(汽车应用中)表贴型号产品比较有限。

通用选择指南

上面列出的特性有助于设计工程师在电容器选择方面做出一般性决策。成本、尺寸和可制造性也是重要因素。

确定哪种电容器类型最适合给定应用并不总是那么容易。下面针对汽车和其他电子电路中的主要电路应用类型提供一些通用指南。

电源滤波:大容值、低ESR和耐高温能力——钽、铝和一些陶瓷和聚合物薄膜电容。

大容量储能:用于快速放电和脉冲应用的大容值、低ESR电容——钽、铝和一些聚合物薄膜电容。

调谐和定时:在宽温度和频率范围内保持稳定的电容值,并且在热循环条件下具有很好的可重复性——陶瓷(NP0型)和聚合物薄膜电容。

去耦和旁路:非常低的ESR和良好的Z特性-陶瓷和聚合物薄膜电容。

电容器选择是一个多维问题;每种电容器类型都有自己的特性,都有可能成为给定应用最合乎逻辑的选择。电容器的成本、尺寸、封装类型和全寿命期间的可靠性问题是重要的考虑因素。目前市场上的选择有很多,因此参考每个制造商的规格来选择合适的电容器非常重要。

(参考原文:How to choose reliable capacitors for automotive applications

本文为《电子工程专辑》2021年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

责编:Amy Wu

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