选择支持汽车应用的可靠电容器

想要为当今汽车电子产品选择性能可靠的电容器，需要仔细分析各类参数。首先，必须了解各种电容技术的性能特点。其次，应考虑汽车环境和特定应用，从而找到成效比优异的可靠解决方案。本文将探讨四种主要电介质电容器的特点：钽电解、铝电解、薄膜和陶瓷。此外，还将说明汽车环境，并列出汽车应用的一般类别。

图1展示了一些常见电容器电介质的典型容值和电压范围。有趣的是，针对需要大约0.1 μF到100 μF的电容值和小于50 V的电压的应用，存在多种选择。为了进一步明确这些不同类型电容器的性能特点，我们需要了解一些电容器的基础知识。

图 1

图2显示了这四种基础电容器的典型电介质常数(K)和电介质强度值。当K值和电介质击穿强度较低时（如薄膜电容器），电容器的容积效率也很低。不过，物理尺寸只是给定电容器类型的一个特征。例如，薄膜电容器体积相当大，但却具有极高的效率和电介质稳定的特点。

图2

电容器等效电路如图3所示。等效串联电阻(ESR)是阻抗的主要部分，代表电容器的损耗。ESR值因温度、频率和电介质类型而不同。绝缘电阻(IR)决定了给定电压下电容器直流漏电流的大小。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施加电压的大小而变化。

图3

图4中的公式揭示了电容器的重要关系：容抗、耗散因数、感抗及阻抗。注意：用于模拟绝缘电阻(IR)的是一个阻值非常高的电阻，为简单起见，在推导总阻抗(Z)时通常将其忽略。

图4

Z在确定电容对输入信号的影响时很重要。充/放电循环期间，低ESR是实现高效率、低热耗和可靠性的关键。容抗(X_C )和感抗(X_L)表示器件能量存储容量和感应场生成。注意，当X_C与X_L相等时，达到器件谐振频率。选择通过去耦电容用来去除直流(DC)信号中的交流(AC)分量/噪声时，这一点很重要。为有效去除直流电源轨的交流信号分量，应选择谐振频率接近去除交流噪声频率的电容器，以减小阻抗，最大化对地去耦。 

电子元件的汽车应用一般分为六个领域：

1. 动力总成控制系统（电控发动机、变速器和排放控制）。目前，电动汽车的发展为功率转换和电控元件增加了大量新的机会

 2. 车辆控制（防抱死制动、主动悬架、牵引控制、助力及四轮转向）

 3. 安全、舒适和便利（安全气囊执行器、防碰撞、空调、巡航控制和防盗）

 4. 车载娱乐

 5. 驾驶员信息显示和音频报警系统

 6. 诊断和维修

其中，一些汽车工作环境也会比其他环境更为严苛。图5向大家展示了发动机舱和车厢工作条件的特点。

图5

介绍完主要的汽车环境和应用，我们将研究四种主要电容器技术的特点，及其对电路性能和长期可靠性的影响。

根据最常用的分类标准，大多数电容器可分为两种基本构造类型：静电（薄膜、陶瓷）和电解（钽、铝）电容器。静电电容器是非极性器件，一般ESR和阻抗非常低。电解电容器通常容值更高，且有极性之分。

钽电容器：

• 额定电压2.5 VDC至63 VDC表面贴装器件(SMD) 和125V轴向引线型。注意：为获得优异的可靠性，固态钽电容器工作电压应降至额定电压的50%，钽聚合物和液钽轴向电容器降至额定电压的80%

• 电气特性时间和温度变化非常稳定

• 表面贴装器件容值达2200 μF，轴向液钽电容器容值高达10,000 μF

• 较大外形尺寸表面贴装器件需要浪涌测试/筛选（低ESR，高容量）

• 正常电压降额条件下典型故障率为5 FIT - 15 FIT（每十亿小时故障次数）

铝电容器：

• 额定电压6.3 VDC至450 VDC（表面贴装器件）。大型圆柱式铝电容工作电压更高

• 85、105或120度额定温度

• 表面贴装器件容量最高10mF 

• 不需要浪涌电流筛选 

• 铝电容存在自然磨损机理，满额定电压和最高温度条件下使用寿命限于5,000小时。降额至额定电压的80 %，使寿命可延长2倍

陶瓷电容器：

• 额定电压为6.3 VDC至5,000 VDC（大多数使用条件为100 V或以下）；不需要电压降额，但必须考虑容值的电压系数。在额定电压或接近额定电压下工作时，多层陶瓷电容(MLCC)有效容值可能下降40 %

• 工作温度可能超过150度

• 非极性器件（可批量进料高速插件）

• ESR和直流漏电流非常低

• 典型故障率低于1 FIT；典型故障模式为短路或参数漂移

薄膜电容器：

• 额定电压为16 VDC至2,000 VDC; 不需要电压降额

• 大部分类型工作温度为105 C (PPS为125 C) 

• 超低ESR和直流漏电流

• 典型故障率低于5 FIT；典型故障为开路或参数漂移

• 表面贴装产品有限

上列特征有助于设计工程师在电容器选型中做出选择。另外，成本、尺寸和工艺性也是需要考虑的因素。

为特定应用选出最适合的电容器往往并不容易。下面针对汽车和其他电子电路中的主要电路类型，我们提供了一些通用指南。

1. 电源滤波：高容量、低ESR、耐高温——钽、铝电容器（部分陶瓷和薄膜电容器）
2. 大容量储能：高容量、低ESR（用于快速放电和脉冲应用）——钽、铝电容器（部分薄膜电容器）
3. 调谐与时序：温度和频率范围内容值稳定，热循环下可重复——陶瓷电容器（NP0型），薄膜电容器
4. 去耦/旁路：ESR非常低，良好的Z特性——陶瓷电容器，薄膜电容器

选择电容器需要考虑多方面的问题；每种电容器都有各自的特点，这些特点决定了某种电容器可能是给定应用最合理的选择。电容器成本、尺寸、封装类型和生命周期内可靠性问题也是重要考虑因素。由于有多方面的选择，因此必须参考每个制造商具体电容器的技术规格。作为电容器技术和制造领域的领导者，Vishay随时为电子设计工程师提供各种汽车应用选择。服务于全球客户，Vishay始终承载着科技基因——The DNA of tech.™。

作者

Andrew Wilson

Andrew Wilson现任Vishay钽电容器业务部产品营销高级经理。此前，他曾担任TTI地区业务开发经理、Sensata Technologies市场部经理和欧司朗(Osram)北美OEM组件部首席营销经理。Andrew 是一位拥有两项专利和电子封装集成经验的机械工程师，毕业于Wentworth Institute of Technology，获得Northeastern UniversityMBA学位。