選擇支援汽車應用的可靠電容器
2021-10-05
作者
Andrew Wilson，Vishay鉭電容器業務部產品行銷資深經理
為當今的汽車電子產品選擇性能可靠的電容器需要檢查幾個參數。首先，須瞭解各種電容器技術的性能特點；再來須考慮汽車環境和特定應用，以確定成本效益和可靠的解決方案…
為當今的汽車電子產品選擇性能可靠的電容器需要檢查幾個參數。首先，必須瞭解各種電容器技術的性能特點；接下來，必須考慮汽車環境和特定應用，以確定成本效益和可靠的解決方案。本文探討四種主要介電質電容器的特點：鉭電解、鋁電解、薄膜和陶瓷；此外，本文還將說明汽車環境，並列出一般汽車應用。
圖1顯示一些常見的電容器介電質的典型容值和電壓範圍。從圖中可以看到，容值大約在0.1μF~100μF，且電壓小於50V的應用時有多種選擇。為了進一步了解這些不同類型電容器的性能特點，使用者需要瞭解電容器的一些基礎知識。
圖2顯示這四種基本類型電容器的典型介電常數(K)和介電強度值。低K值和低介電擊穿強度(例如薄膜電容器)的組合導致低容積效率。不過，物理尺寸只是給電容器類型的一個特徵而已。例如，薄膜電容器體 積相當大，但卻具有極高的效率和穩定的電氣特性。
電容器的等效電路如圖3所示。等效串聯電阻(ESR)是阻抗的主要部分，決定電容器的損耗。ESR值因溫度、頻率和介電質類型而不同，絕緣電阻(IR)決定了在給定施加電壓條件下電容器直流漏電流的大小。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的大小而變化。
圖 4中的公式顯示了電容器的重要關係：容抗、耗散因數、感抗及阻抗。請注意：用於模擬的絕緣電阻(IR)是一個阻值非常高的電阻，為簡化起見，在推導總阻抗(Z)時可以將其忽略。
Z在確定電容器如何影響輸入訊號時很重要。在充/放電循環期間，低ESR是實現高效率、低熱耗和可靠性的關鍵；容抗(XC )和感抗(XL)表示元件的能量儲存容量和感應場產生。請注意，當XC與XL相等時，這時達到電容器的諧振頻率，這一點對於選擇使用去耦電容去消除直流(DC)訊號中的交流(AC)分量/雜訊時很重要。為有效去除直流電源的交流訊號分量，應選擇諧振頻率接近欲消除交流雜訊頻率的電容器，以實現最小阻抗和最大對地去耦。
電子元件的汽車應用一般分為六個領域：
1.動力傳動控制系統(電控引擎、變速器和排放控制)。目前，電動車的發展為功率轉換和電控元件增加了大量新的機會；
2.車輛控制(防鎖死煞車、主動懸架、牽引控制、動力及四輪驅動轉向)；
3.安全、舒適和便利(安全氣囊執行器、防碰撞、空調、巡航控制和防盜)；
4.車載娛樂；
5.駕駛資訊顯示和音訊報警系統；
6.診斷和維修。
一些車輛環境工作條件比其他環境更為嚴苛，圖5顯示引擎室和駕駛室工作條件的特點。
以上介紹了主要汽車環境和應用，接著說明四種主要電容器技術的特點，及其對電路性能和長期可靠性的影響。根據最常用的分類標準，大多數電容器可分為兩種基本構造類型：靜電(薄膜、陶瓷)和電解(鉭、鋁)電容器。靜電電容器是非極性元件，一般ESR和阻抗非常低。電解電容器通常電容值較高，且有極性之分。
鉭電容器：
- 額定電壓2.5VDC~63VDC表面黏著元件(SMD)和125V軸向引線型。請注意，為獲得優異的可靠性，固態鉭電容器工作電壓應降至額定電壓的50%，鉭聚合物和液鉭軸向電容器需降至額定電壓的80%；
- 電氣特性不會隨時間和溫度變化，非常穩定；
- 表面貼片電容器的電容值高達2,200μF，軸向液鉭電容器容值高達10,000μF；
- 較大外形尺寸的表面貼片電容器需要浪湧測試/篩選(低ESR、高容量)；
- 正常電壓降額條件下典型故障率為5FIT~15FIT (每十億小時故障次數)。
鋁電容器：
- 額定電壓6.3VDC~450VDC (表面貼片電容器)。大型圓柱式鋁電解器工作電壓更高；
- 85℃、105℃或120℃額定溫度；
- 表面貼片電容器容量最高為10mF；
- 不需要浪湧電流篩選；
- 鋁電解器存在自然耗損的問題，在額定電壓和最高溫度條件下，使用壽命限於5,000小時。降額至額定電壓的80%，可使壽命延長2倍。
陶瓷電容器：
- 額定電壓為6.3VDC~5,000VDC (大多數使用條件為100V或以下)；不需要電壓降額，但必須考慮電容值的電壓係數。在額定電壓或接近額定電壓下工作時，多層陶瓷電容(MLCC)有效電容值可能下降40%；
- 工作溫度可能超過150℃；
- 非極性元件(可批量進料高速自動打件)；
- ESR和直流漏電流非常低；
- 典型故障率低於1 FIT；典型故障模式為短路或參數漂移。
薄膜電容器：
- 額定電壓為16VDC~2,000VDC，不需要電壓降額；
- 大部分類型工作溫度為105℃ (PPS為125℃)；
- 超低ESR和直流漏電流；
- 典型故障率低於5FIT，典型故障為開路或參數漂移；
- 表面貼片產品有限。
上述特性有助於設計工程師當作選擇電容器種類時的一般原則。 成本、尺寸和可製造性也是考慮因素。
一般來說，判定哪種電容器最適合哪種應用並不容易。下面為主要的電路類型提供了一些通用的選擇方式。
1.電源濾波：高容量、低ESR、耐高溫——鉭、鋁電解電容器(部分陶瓷和薄膜電容器)
2.大容量儲能：高容量、低ESR (用於快速放電和脈衝應用) ——鉭、鋁電解電容器(部分薄膜電容器)；
3.調頻與時序：在溫度和頻率範圍內，電容值穩定，可在熱循環重複下工作——陶瓷電容器(NP0型)、薄膜電容器；
4.去耦/旁路：ESR非常低，良好的Z特性——陶瓷電容器、薄膜電容器。
選擇電容器需要考慮多方面的問題；每種電容器都有各自的特點，這些特點決定了某種電容器可能是給特定應用最適合的選擇。電容器成本、尺寸、封裝類型和生命周期内可靠性問題也是重要考慮因素。由於有多方面的選擇，因此必須參考每個製造商具體電容器的技術規格。Vishay提供各種車用電容器，滿足電氣設計師的需求，服務於全球客戶，Vishay承載著科技基因——The DNA of tech.。
