車規(guī)級電容器選型指南及注意事項

在本文中，Vishay公司鉭電容器部產(chǎn)品營銷高級經(jīng)理Andrew?Wilson和Vishay公司陶瓷電容器產(chǎn)品營銷經(jīng)理Florian?Weyland針對車規(guī)級電容器選型做了介紹。

想要為當(dāng)今的汽車電子應(yīng)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(yīng)用中的工作條件。與數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)格參數(shù)相比，應(yīng)用中的工作環(huán)境對實際電路性能構(gòu)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(guān)重要。

圖1展示了常用電容介質(zhì)典型容量和電壓范圍，往往有幾種重疊選擇。

圖一：電容圖解

雖然容量和電壓通常是器件選擇的主要參數(shù)，但還有許多其他參數(shù)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(shù)?(K)?和介電強(qiáng)度值。低K值和低介電強(qiáng)度組合（如聚酯膜電容器）導(dǎo)致體積效率低。不過，由于損耗非常低，電氣特性非常穩(wěn)定且成本低，這些體積較大的器件仍得到廣泛認(rèn)可。

工作狀態(tài)下，電容器等效串聯(lián)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(shù)值隨溫度、頻率和介質(zhì)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(guān)。

圖3展示了電容器的重要關(guān)系：容抗、耗散因數(shù)、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(dǎo)總阻抗?(Z)?時可以忽略。

圖三

阻抗是確定電容器對輸入信號影響的重要指標(biāo)。充/放電循環(huán)中，低ESR對實現(xiàn)高效、低熱損和可靠性至關(guān)重要。容抗?(XC)?和感抗?(XL)?表示儲能容量和電容器產(chǎn)生的感應(yīng)磁場。注意，當(dāng)XC和XL相等時，達(dá)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(yīng)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(xiàn)電小阻抗和電大去耦接地。

車載應(yīng)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(guān)鍵性能、可靠性和準(zhǔn)確性時，應(yīng)用類型很重要。另一個主要區(qū)別是車內(nèi)位置和由此產(chǎn)生的工作條件。發(fā)動機(jī)艙應(yīng)用可能接觸或浸沒在鹽霧、水、燃油/機(jī)油中，工作溫度達(dá)到125?°C甚至更高，振動力可以達(dá)到15?g，頻率最高可達(dá)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(shù)?(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(yīng)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。

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(dá)到高容量器件往往需要具備的極低ESR，電容器需要進(jìn)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(xiàn)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(wěn)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(chǎn)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(nèi)，器件正常磨損使用壽命達(dá)10,000小時，因此不需要進(jìn)行電流篩選?？梢酝ㄟ^降低任意一個參數(shù)來延長使用壽命。

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

這些特點的重要程度取決于應(yīng)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(shù)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(yīng)用需求，對此，鉭、鋁以及部分聚酯薄膜電容被廣泛采用。調(diào)諧和時鐘電路要求容量在溫度和頻率范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，并且必須在熱循環(huán)下可重復(fù)。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(shè)計的鉭聚合物器件是這種應(yīng)用的理想選擇。用于EMI?/?RFI過濾的X?/?Y級安規(guī)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(jī)械特性和經(jīng)濟(jì)方面的考慮因素。其中每一項的重要性取決于應(yīng)用、環(huán)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(shù)規(guī)格選擇適用電容器至關(guān)重要。