如何为汽车应用选择可靠的电容器

文章作者:安德鲁·威尔逊

汽车工程师可以回顾四种主要电容介质类型的特性:钽、铝、聚膜和陶瓷。

在当今的汽车电子设备中,选择性能可靠的电容器需要检查几个参数。首先必须了解各种电容器技术的性能特点。接下来,必须考虑汽车环境和特定的应用,以确定最具成本效益和可靠的解决方案。

这篇文章将着眼于四种主要电容介质类型的特点:钽电解液,铝电解液,聚膜和陶瓷。此外,还将描述汽车环境,并列出汽车应用的一般类别。

图1显示了一些比较流行的电容介质的典型电容和电压范围。有趣的是,对于要求电容值从0.1 μF到100 μF,电压小于50 V的应用,有几种重叠选择。为了进一步了解这些不同电容器类型的性能特征,我们需要介绍一些电容器的基本知识。

图1电容器技术比较强调电压和电容值范围的重叠选择。来源:威世

图2显示了四种基本电容器类型的典型介电常数(K)和介电强度值。低K和低介电击穿强度的结合——例如带有聚膜电容器的外壳——导致了低容量效率。然而,物理尺寸只是给定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,但它们提供非常高的效率和稳定的电特性。

图2电容器的介电特性是做出正确设计选择的关键。来源:威世

所示为任何电容器的等效电路图3.等效串联电阻(ESR)是阻抗的实部,代表电容器中的损耗。ESR值随温度、频率和介质类型而变化。绝缘电阻(IR)决定了在给定的外加电压下电容器通过的直流漏电流的量。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外加电压的大小而变化。

图3电容等效电路突出了ESR和IR的作用。来源:威世

中的公式图4标出重要的电容关系:容抗、损耗因数、感抗和阻抗。值得注意的是,用于模拟IR的电阻是一个非常高的值电阻,因此在推导整体阻抗(Z)时,为了简单起见,忽略它。

图4上面的公式体现了重要的电容关系。来源:威世

Z在确定电容器如何影响传入信号方面是重要的。在充放电循环中,低ESR是实现高效率、低热损耗和可靠性的关键。容抗(XC)和感抗(Xl)告诉我们有关该装置的储能能力和感应场产生的一些情况。注意当XC和Xl等,则器件的共振频率达到。当选择去耦电容来去除直流信号中的交流成分/噪声时,这是很重要的。为了有效地去除直流电源轨上的交流信号成分,选择一个谐振频率接近不需要的交流噪声频率的电容,以实现最小阻抗和对地最大解耦。

电子元件在汽车上的应用可分为六大领域:

  1. 动力系统控制:电子发动机、变速器和排放控制。如今,电动汽车的发展为电力转换和控制电子产品带来了许多新的机遇。
  2. 车辆控制:防抱死刹车,主动悬架,牵引力控制,动力和四轮驱动转向
  3. 安全、舒适和方便:安全气囊执行器、防撞、气候控制、巡航控制和防盗
  4. 车内娱乐
  5. 驾驶员信息显示和音频警告系统
  6. 诊断和修复

一些汽车的环境条件比其他的更苛刻。图5特征下的引擎盖和乘客舱条件。

图5汽车环境的先睹者突出了引擎盖下的条件。来源:威世

在描述了主要的汽车环境和应用之后,我们现在来看看四种主要的电容技术,并描述影响电路性能和长期可靠性的特性。

在最普遍的分类中,大多数电容器属于两种基本结构:静电(多膜和陶瓷)和电解(钽和铝)。静电电容器是非极化器件,通常表现出非常低的ESR和阻抗。电解液一般提供较高的电容值,但是极化的。

钽电解化学

  • 额定电压从2.5 V直流63 V直流SMD和125 V轴向引线。注:为了获得最佳的可靠性,对于固体钽,将应用电压降至额定电压的50%,对于钽聚合物和湿段塞轴向钽,降至额定电压的80%。
  • 非常稳定的电特性随时间和温度变化
  • SMD电容值可达2200 μF,轴向湿钽电容值可达10000 μF
  • 浪涌测试/屏幕和更大的SMD外壳尺寸(低ESR和高电容)
  • 在正常电压降额的情况下,典型故障率从5 FIT到15 FIT(每十亿小时故障)

铝电解化学

  • 额定电压6.3 V直流450 V直流适用于贴片器件和高电压的大罐风格
  • 可在85°C, 105°C或120°C的温度评级
  • SMD电容高达10 mF
  • 不需要浪涌电流屏
  • 铝电解液具有自然磨损机制,在满额定电压和最高温度条件下,其使用寿命可限制在5000小时。使用寿命延长2倍,额定电压降至80%。

陶瓷静电学

  • 额定电压6.3 V直流5000 V直流(最多使用100v或以下);不需要降额电压,但必须考虑电容的电压系数。在额定电压下或接近额定电压时,mlcc可能会损失高达40%的有效电容值。
  • 工作温度可能超过150°C
  • 非极性(高速插入时可大量馈电)
  • 极低的ESR和直流漏电
  • 1 FIT下的典型故障率;典型的失效模式为短失效或参数移位失效

Poly-film静电学

  • 额定电压从16v直流2000 V直流;无需电压降额。
  • 大多数型号的工作温度可达105°C (PPS为125°C)
  • 超低ESR和直流漏电
  • 5 FIT以下的典型故障率;典型的失败打开或参数移位。
  • 表面装配产品有限公司

一般选择指南

以上列出的特性将帮助设计工程师做出关于电容器选择的一般决定。成本、尺寸和可制造性也是重要的因素。

要确定哪种电容器类型最适合某一特定的应用并不总是容易的。以下提供了一些通用指南,用于汽车和其他电子电路的主要类型的应用。

  1. 电源滤波高电容,低ESR,耐高温-钽,铝和一些陶瓷和聚薄膜
  2. 大部分能量储存:高电容,低ESR用于快速放电和脉冲应用-钽,铝和一些复合薄膜
  3. 调优和时机:在温度和频率上稳定的电容值,在热循环下可重复-陶瓷(NP0型)和聚薄膜
  4. 解耦,绕过:极低的ESR和良好的Z特性-陶瓷和聚合物薄膜

选择电容器是一个多维度的问题;每种电容器类型都有自己的一组特性,这可能使其成为给定应用的最合理的选择。电容器的成本、尺寸、封装类型和寿命结束时的可靠性问题都是重要的考虑因素。有许多选择,这是必要的参考每个制造商的规格,为正确的电容器。

这篇文章最初发表于经济日报

安德鲁•威尔逊他是Vishay钽电容部门产品营销的高级经理。

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