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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2022-01-12 21:28
今汽車電子設(shè)備選擇性能可靠的電容器時(shí)需要考慮好幾個(gè)參數(shù)。首先必須了解各種電容器技術(shù)的性能特征。其次，必須考慮汽車環(huán)境和特殊應(yīng)用場(chǎng)景，才能確定最具成本效益和最可靠的解決方案。
本文介紹了四種主要電容器電介質(zhì)類型的特性：鉭電解、鋁電解、聚合物薄膜電容和陶瓷電容，另外描述了汽車環(huán)境，并列出了針對(duì)汽車應(yīng)用的通用分類。
圖1顯示了一些比較流行的電容器電介質(zhì)類型的典型電容值和電壓范圍。有趣的是，對(duì)于要求電容值大約0.1μF到100μF范圍和電壓小于50V的應(yīng)用來(lái)說，有多個(gè)重疊的選擇區(qū)域。為了進(jìn)一步了解這些不同電容器類型的性能特征，我們需要了解一些電容器的基礎(chǔ)知識(shí)。
圖1：電容器技術(shù)的比較，可以明顯看出電壓和電容值范圍的選擇有重疊區(qū)域。
圖2顯示了四種基本電容器類型的典型介電常數(shù)(K)和電介強(qiáng)度值。低K值和低電介擊穿強(qiáng)度的組合——例如聚合物薄膜電容器的情況——會(huì)導(dǎo)致低容積效率。然而，物理尺寸只是某個(gè)電容器類型的一個(gè)特征。例如，雖然薄膜電容器的尺寸相當(dāng)大，但它們可以提供極高的效率和穩(wěn)定的電氣特性。
圖2：電容器電介特性對(duì)于做出正確的設(shè)計(jì)選擇至關(guān)重要。
圖3給出了所有電容器的等效電路。等效串聯(lián)電阻(ESR)是阻抗的實(shí)部，代表電容器的損耗。ESR值隨溫度、頻率和電介質(zhì)類型變化而變化。絕緣電阻(IR)決定了電容器在給定施加電壓下流過的直流泄漏電流量。薄膜和陶瓷(靜電)電容器的漏電流通常比鉭和鋁(電解)電容器低得多。直流漏電流隨溫度和施加電壓幅度的變化而變化。
圖3：電容器等效電路突顯了等效串聯(lián)電阻(ESR)和絕緣電阻(IR)的作用。
圖4中的公式表達(dá)了重要的電容器參數(shù)之間的關(guān)系：容抗、耗散因數(shù)、感抗和阻抗。需要注意的是，用于建模絕緣電阻的電阻器有著非常高的電阻值，為簡(jiǎn)單起見在推導(dǎo)總阻抗(Z)時(shí)可以忽略。
圖4：圖中所示公式展現(xiàn)了重要的電容器參數(shù)之間的關(guān)系。
總阻抗Z在判斷電容器如何影響輸入信號(hào)方面很重要。在充電/放電循環(huán)期間，低ESR是實(shí)現(xiàn)高效率、低熱能損失和可靠性的關(guān)鍵。容抗(XC)和感抗(XL)體現(xiàn)的是有關(guān)器件的能量存儲(chǔ)容量和感應(yīng)場(chǎng)產(chǎn)生的信息。請(qǐng)注意，當(dāng)XC和XL相等時(shí)，就達(dá)到了設(shè)備的諧振頻率。選擇去耦電容器以去除直流信號(hào)中的交流分量/噪聲時(shí)，這個(gè)知識(shí)點(diǎn)很重要。為了有效地從直流電源軌中去除交流信號(hào)分量，務(wù)必選擇諧振頻率接近不需要的交流噪聲頻率的電容器，以實(shí)現(xiàn)最小阻抗和最大對(duì)地去耦的效果。
電子元件的汽車應(yīng)用一般可分為如下六個(gè)通用領(lǐng)域：
動(dòng)力系統(tǒng)控制：電動(dòng)機(jī)、變速器和排放控制。如今電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展為電源轉(zhuǎn)換和控制電子設(shè)備增加了許多新的機(jī)會(huì)。
車輛控制：防抱死制動(dòng)、主動(dòng)懸架、牽引力控制、動(dòng)力和四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向。
安全性、舒適性和便利性：安全氣囊執(zhí)行器、防撞、溫濕度控制、巡航控制和防盜。
車內(nèi)娛樂系統(tǒng)
駕駛員信息顯示和聲音警告系統(tǒng)
診斷和維修
一些汽車環(huán)境條件比其他環(huán)境條件要求更高。圖5描述了發(fā)動(dòng)機(jī)艙和乘客艙的環(huán)境條件。
圖5：汽車環(huán)境一瞥，強(qiáng)調(diào)了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的環(huán)境條件。
在描述了主要的汽車環(huán)境和應(yīng)用之后，接下來(lái)介紹四種主要的電容器技術(shù)，并指出會(huì)影響電路性能和長(zhǎng)期可靠性的一些特性。
在最一般的分類中，大多數(shù)電容器屬于兩種基本結(jié)構(gòu)類別之一：靜電(聚合物薄膜和陶瓷電容)和電解(鉭和鋁)電容器。靜電電容器是非極化器件，通常表現(xiàn)出非常低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和阻抗。電解電容器通常具有更高的電容值，但會(huì)被極化。
鉭電解電容
鉭電解電容一般是額定電壓從2.5VDC至63VDC的貼片器件，采用125V軸向引線。注意：為了獲得最高的可靠性，固體鉭電容的實(shí)際施加電壓降額至額定電壓的50%，鉭聚合物和濕塊狀軸向鉭電容則降額至80%。
鉭電解電容隨著時(shí)間和溫度的變化具有非常穩(wěn)定的電氣特性
貼片鉭電容的容量最高為2,200μF，軸向濕塊鉭電容的最大容量可達(dá)10,000μF。
浪涌測(cè)試/篩選和更大的貼片外殼尺寸(低ESR值和大電容值)。
在正常電壓降額使用條件下的典型失效率為5FIT至15FIT(每10億小時(shí)失效數(shù))。
鋁電解電容
貼片式鋁電解電容的額定電壓從6.3VDC至450VDC，大罐式鋁電容則有更高的電壓。
溫度等級(jí)有85℃、105℃或120℃。
貼片式鋁電容的最大容量為10mF。
無(wú)需浪涌電流篩選。
鋁電解電容具有自然磨損機(jī)制，在完全額定電壓和最高溫度條件下的使用壽命將限制為5,000小時(shí)。如果降額至額定電壓的80%，使用壽命可延長(zhǎng)兩倍。
陶瓷電容
陶瓷電容的額定電壓從6.3VDC到5,000VDC(大多數(shù)使用場(chǎng)合為100V或更低)；電壓無(wú)需降額使用，但必須考慮電容的電壓系數(shù)。在額定電壓或接近額定電壓下工作時(shí)，多層陶瓷電容(MLCC)的有效電容值可能最多會(huì)損失40%。
陶瓷電容的工作溫度可以超過150℃。
無(wú)極化(在高速插入時(shí)可大電流充電)。
陶瓷電容具有非常低的ESR和直流漏電流。
典型失效率小于1FIT；典型失效模式是短路或參數(shù)漂移。
聚合物薄膜電容
額定電壓從16VDC至2,000VDC；無(wú)需降額工作。
大多數(shù)聚合物薄膜電容的最高工作溫度為105℃(PPS電容為125℃)。
超低的ESR和直流漏電流
典型失效率小于5FIT；典型失效模式是開路或參數(shù)漂移。
(汽車應(yīng)用中)表貼型號(hào)產(chǎn)品比較有限。
通用選擇指南
上面列出的特性有助于設(shè)計(jì)工程師在電容器選擇方面做出一般性決策。成本、尺寸和可制造性也是重要因素。
確定哪種電容器類型最適合給定應(yīng)用并不總是那么容易。下面針對(duì)汽車和其他電子電路中的主要電路應(yīng)用類型提供一些通用指南。
電源濾波：大容值、低ESR和耐高溫能力——鉭、鋁和一些陶瓷和聚合物薄膜電容。
大容量?jī)?chǔ)能：用于快速放電和脈沖應(yīng)用的大容值、低ESR電容——鉭、鋁和一些聚合物薄膜電容。
調(diào)諧和定時(shí)：在寬溫度和頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的電容值，并且在熱循環(huán)條件下具有很好的可重復(fù)性——陶瓷(NP0型)和聚合物薄膜電容。
去耦和旁路：非常低的ESR和良好的Z特性-陶瓷和聚合物薄膜電容。
電容器選擇是一個(gè)多維問題；每種電容器類型都有自己的特性，都有可能成為給定應(yīng)用最合乎邏輯的選擇。電容器的成本、尺寸、封裝類型和全壽命期間的可靠性問題是重要的考慮因素。目前市場(chǎng)上的選擇有很多，因此參考每個(gè)制造商的規(guī)格來(lái)選擇合適的電容器非常重要。
來(lái)源：Internet
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