為汽車電子選電容器,這些選型知識必不可少!

想要為當今的汽車電子應用選擇可靠的電容器,需要瞭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,因此其對於最佳性價比解決方案的制定至關重要。

圖1展示了常用電容介質典型容量和電壓範圍,往往有幾種重疊選擇。

常用電容介質典型容量和電壓範圍

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於做出最佳選擇。 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,由於損耗非常低,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。

四種基本電容器的典型介電常數 (K) 和介電強度值

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。

圖3展示了電容器的重要關係:容抗、耗散因數、感抗和阻抗。 阻值非常高的電阻用來類比絕緣電阻。 方便起見,推導總阻抗 (Z) 時可以忽略。
容抗、耗散因數、感抗和阻抗

阻抗是確定電容器對輸入信號影響的重要指標。 充/放電迴圈中,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雜訊時很重要。

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雜訊頻率的電容器,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) 由於受工作溫度極限 (85 °C) 影響,僅限於座艙應用,如電子鎖電源備份。


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

鉭器件建議採取電壓降額使用,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,電容器需要進行浪湧測試/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範圍內,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。 可以通過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採取電壓降額,但必須考慮容量的電壓係數,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。 典型故障率低於 1 FIT,某些範圍內可在 150 °C條件下輕鬆工作。 故障模式為短路或參數漂移。

最後,聚酯薄膜電容額定溫度通常為 105 °C,儘管 PPS 器件工作溫度可達 125 °C (PET) 甚至 150 °C (PEN)。 不必採取電壓降額,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於應用和所需體積大小、成本及製造工藝。 不過,在考慮實際電路功能時,這些特點的確可以用於一般技術選擇。

電源濾波需要高容量、低ESR、耐高溫,適合採用鉭、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衝應用需求,對此,鉭、鋁以及部分聚酯薄膜電容被廣泛採用。 調諧和時鐘電路要求容量在溫度和頻率範圍內非常穩定,並且必須在熱迴圈下可重複。

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,並具有良好阻抗 (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。 用於 EMI / RFI 過濾的 X / Y 級安規電容需要具備高電壓和脈衝性能,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於應用、環境條件和實際電路功能。 由於可供選擇的電容器很多,因此參考每個製造商的技術規格選擇適用電容器至關重要。

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參考來源

Vishay: https://mp.weixin.qq.com/s/RLCxhJhNUpQsX0cElXLDlg

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