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为汽车电子选电容器,这些选型知识必不可少!

发布时间:2022-05-20 来源:Vishay 责任编辑:wenwei

【导读】想要为当今的汽车电子应用选择可靠的电容器,需要了解各电容器的性能特点以及不同应用中的工作条件。与数据手册中的规格参数相比,应用中的工作环境对实际电路性能构成的影响很大,因此其对于最佳性价比解决方案的制定至关重要。


电容介质的容量与电压范围


图1展示了常用电容介质典型容量和电压范围,往往有几种重叠选择。


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图1:电容图解


虽然容量和电压通常是器件选择的主要参数,但还有许多其他参数有助于做出最佳选择。如图2所示,可见四种基本电容器的典型介电常数 (K) 和介电强度值。低 K 值和低介电强度组合(如聚酯膜电容器)导致体积效率低。不过,由于损耗非常低,电气特性非常稳定且成本低,这些体积较大的器件仍得到广泛认可。


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图2


工作状态下,电容器等效串联电阻 (ESR) 是阻抗的实部,代表等效电路中电容器的损耗。这些参数值随温度、频率和介质类型而变化。绝缘电阻 (IR) 决定电容器给所施加电压下电容通过的直流 (DC) 漏电流的大小,而静电 (薄膜和陶瓷) 电容器的漏电流通常要低得多。直流漏电流随温度和施加电压的大小而变化,感抗与电极类型有关。


电容器的重要参数


图3展示了电容器的重要关系:容抗、耗散因数、感抗和阻抗。阻值非常高的电阻用来模拟绝缘电阻。方便起见,推导总阻抗 (Z) 时可以忽略。


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图3


阻抗是确定电容器对输入信号影响的重要指标。充/放电循环中,低 ESR 对实现高效、低热损和可靠性至关重要。容抗 (XC) 和感抗 (XL) 表示储能容量和电容器产生的感应磁场。特别注意的是,当 XC 和 XL 相等时,达到器件谐振频率。这一点在选择去耦电容消除直流信号中的交流成分噪声时很重要。


为了有效消除直流链路中的交流信号成分,应选择谐振频率接近所要去除的交流噪声频率的电容器,以实现电小阻抗和电大去耦接地。


车载应用类型通常分为动力控制 (ECU 和传动) 和安全舒适控制 (如安全气囊和温控),在考虑关键性能、可靠性和准确性时,应用类型很重要。另一个主要区别是车内位置和由此产生的工作条件。发动机舱应用可能接触或浸没在盐雾、水、燃油/机油中,工作温度达到 125 °C甚至更高,振动力可以达到 15 g,频率最高可达 200 Hz。这些情况与座舱有很大不同。


事实上,另一种高容量技术 (双层电容器 EDLC) 由于受工作温度极限 (85 °C) 影响,仅限于座舱应用,如电子锁电源备份。


不同电容器的特点和应用


一般来说,电解电容器 (钽、铝和 EDLC) 容量高,但有极性,而静电电容器 (聚酯膜和陶瓷) 无极性,通常 ESR 和阻抗非常低。


电解电容器


钽器件建议采取电压降额使用,固钽电容电压降额 50 %,聚合物和液钽轴向电容电压降额 80 %,以保证可靠性。为达到高容量器件往往需要具备的极低  ESR,电容器需要进行浪涌测试/筛选。电压降额情况下,典型故障率为  5 FIT (每工作十亿小时出现一次故障) 到  15 FIT,它们的电气特性随时间和温度的变化非常稳定。


高容量是铝电解电容的主要特点;不过,温度对器件性能有很大影响,不同产品系列工作温度分别有 85 °C、105 °C、125 °C 和 150 °C。整个额定温度和纹波电流范围内,器件正常磨损使用寿命达 10,000 小时,因此不需要进行电流筛选。可以通过降低任意一个参数来延长使用寿命。


静电电容器


陶瓷电容器不必为保证可靠性采取电压降额,但必须考虑容量的电压系数,因为在达到或接近额定电压下工作时,电容器可能失去高达 40% 的容量。典型故障率低于 1 FIT,某些范围内可在 150 °C条件下轻松工作。故障模式为短路或参数漂移。


最后,聚酯薄膜电容额定温度通常为 105 °C,尽管 PPS 器件工作温度可达 125 °C (PET) 甚至 150 °C (PEN)。不必采取电压降额,典型故障率约为 5 FIT,但表面贴装产品有限。


这些特点的重要程度取决于应用和所需体积大小、成本及制造工艺。不过,在考虑实际电路功能时,这些特点的确可以用于一般技术选择。


电源滤波需要高容量、低 ESR、耐高温,适合采用钽、铝和部分陶瓷电容。大容量储能要求高容量和低 ESR,以满足快速放电和脉冲应用需求,对此,钽、铝以及部分聚酯薄膜电容被广泛采用。调谐和时钟电路要求容量在温度和频率范围内非常稳定,并且必须在热循环下可重复。


这方面,I  类 (C0G / NP0 和高 Q 值) 陶瓷和聚酯薄膜电容通常是最好的解决方案。去耦/旁路功能要求 ESR 非常低,并具有良好阻抗 (Z) 性能。陶瓷、聚酯薄膜和一些专门设计的钽聚合物器件是这种应用的理想选择。用于 EMI / RFI 过滤的 X / Y 级安规电容需要具备高电压和脉冲性能,这方面只能使用薄膜和陶瓷电容器。


总之,选择电容器是一个多维度考量过程。每种电容器都有各自的电气特性、性能弱点以及机械特性和经济方面的考虑因素。其中每一项的重要性取决于应用、环境条件和实际电路功能。由于可供选择的电容器很多,因此参考每个制造商的技术规格选择适用电容器至关重要。


作者介绍:Andrew Wilson


Andrew Wilson现任Vishay钽电容器部产品营销高级经理。此前,他曾先后担任TTI公司地区业务拓展经理、森萨塔科技 (Sensata Technologies) 市场部经理,以及欧司朗 (Osram) 北美OEM元件部主管营销经理。Andrew是一位资深机械工程师,拥有两项专利和丰富的电子封装集成经验,获得温特沃斯理工学院学士学位和东北大学MBA学位。 


作者介绍:Florian Weyland


Florian Weyland现任Vishay陶瓷电容器产品营销经理。他是德国陶瓷协会会员,曾荣获Hans-Walter-Hennicke奖,并获得2017年美国冬季研讨会补助金。Weyland先生拥有德国达姆施塔特工业大学博士学位。  



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