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為汽車電子選電容器,這些選型知識必不可少!

發布時間:2022-05-20 來源:Vishay 責任編輯:wenwei

【導讀】想要為當今的汽車電子應用選擇可靠的電容器,需要了解各電容器的性能特點以及不同應用中的工作條件。與數據手冊中的規格參數相比,應用中的工作環境對實際電路性能構成的影響很大,因此其對于最佳性價比解決方案的制定至關重要。


電容介質的容量與電壓范圍


圖1展示了常用電容介質典型容量和電壓范圍,往往有幾種重疊選擇。


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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,但還有許多其他參數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 (K) 和介電強度值。低 K 值和低介電強度組合(如聚酯膜電容器)導致體積效率低。不過,由于損耗非常低,電氣特性非常穩定且成本低,這些體積較大的器件仍得到廣泛認可。


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圖2


工作狀態下,電容器等效串聯電阻 (ESR) 是阻抗的實部,代表等效電路中電容器的損耗。這些參數值隨溫度、頻率和介質類型而變化。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。


電容器的重要參數


圖3展示了電容器的重要關系:容抗、耗散因數、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,推導總阻抗 (Z) 時可以忽略。


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圖3


阻抗是確定電容器對輸入信號影響的重要指標。充/放電循環中,低 ESR 對實現高效、低熱損和可靠性至關重要。容抗 (XC) 和感抗 (XL) 表示儲能容量和電容器產生的感應磁場。特別注意的是,當 XC 和 XL 相等時,達到器件諧振頻率。這一點在選擇去耦電容消除直流信號中的交流成分噪聲時很重要。


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


車載應用類型通常分為動力控制 (ECU 和傳動) 和安全舒適控制 (如安全氣囊和溫控),在考慮關鍵性能、可靠性和準確性時,應用類型很重要。另一個主要區別是車內位置和由此產生的工作條件。發動機艙應用可能接觸或浸沒在鹽霧、水、燃油/機油中,工作溫度達到 125 °C甚至更高,振動力可以達到 15 g,頻率最高可達 200 Hz。這些情況與座艙有很大不同。


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


不同電容器的特點和應用


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。為達到高容量器件往往需要具備的極低  ESR,電容器需要進行浪涌測試/篩選。電壓降額情況下,典型故障率為  5 FIT (每工作十億小時出現一次故障) 到  15 FIT,它們的電氣特性隨時間和溫度的變化非常穩定。


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


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,因為在達到或接近額定電壓下工作時,電容器可能失去高達 40% 的容量。典型故障率低于 1 FIT,某些范圍內可在 150 °C條件下輕松工作。故障模式為短路或參數漂移。


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 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,但表面貼裝產品有限。


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


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。大容量儲能要求高容量和低 ESR,以滿足快速放電和脈沖應用需求,對此,鉭、鋁以及部分聚酯薄膜電容被廣泛采用。調諧和時鐘電路要求容量在溫度和頻率范圍內非常穩定,并且必須在熱循環下可重復。


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計的鉭聚合物器件是這種應用的理想選擇。用于 EMI / RFI 過濾的 X / Y 級安規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、性能弱點以及機械特性和經濟方面的考慮因素。其中每一項的重要性取決于應用、環境條件和實際電路功能。由于可供選擇的電容器很多,因此參考每個制造商的技術規格選擇適用電容器至關重要。


作者介紹:Andrew Wilson


Andrew Wilson現任Vishay鉭電容器部產品營銷高級經理。此前,他曾先后擔任TTI公司地區業務拓展經理、森薩塔科技 (Sensata Technologies) 市場部經理,以及歐司朗 (Osram) 北美OEM元件部主管營銷經理。Andrew是一位資深機械工程師,擁有兩項專利和豐富的電子封裝集成經驗,獲得溫特沃斯理工學院學士學位和東北大學MBA學位。 


作者介紹:Florian Weyland


Florian Weyland現任Vishay陶瓷電容器產品營銷經理。他是德國陶瓷協會會員,曾榮獲Hans-Walter-Hennicke獎,并獲得2017年美國冬季研討會補助金。Weyland先生擁有德國達姆施塔特工業大學博士學位。  



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