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选择支持可靠汽车应用的电容器

Choosing Capacitors for Reliable Automotive Applications

威世科技 Dave Richardson


为今天的汽车电子产品选择最可靠的电容器,设计师需要仔细分析大量的器件参数和性能特点。接下来是考虑这些器件的工作环境以及特定目标应用。本文探讨了四种主要电介质电容器的特点 钽、铝电解、聚脂膜以及陶瓷。本文还介绍了电容温度系数、电容电压系数以及影响电容器选择的其他因素。

对于各种电容器电介质,需要注意到的第一点是,每一种电容器电介质都有典型的电容和电压范围(见图1)。但是,对于需要电容值约在0.1 F到10 F之间并且电压小于50V的应用,我们有若干选择。为了搞清楚不同类型电容器的性能特点,需要运用电容器的一些基础知识。

图1 (略)

每种电容器的电容值都可以运用同一个方程式来确定:C=(K x A)/t。每种电容器电介质类型的电介质常数(K)是固定的。因此,对于给定的电容器电介质类型,电容量直接与电容器通电板表面面积(A)相关,并且与电介质厚度(t)成反比。电介质厚度还决定着电容器的耐压能力(额定电压)。

图2 (略)

图2展示了这四种基本电容器的电介质常数和电介质强度(耐受电压)值。正如我们所看到的那样,当K值与电介质击穿强度都较低时(如聚脂膜电容器),结果将是较低的容积效率。但是,尺寸只是给定电容器类型的一个特征。例如,膜电容器的体积相当大,但却有极高的效率和稳定的电介质特点,从而弥补了体积较大的劣势。

图3是电容器的工作原理图。等效串联电阻(ESR)是阻抗的主要部分,代表了电容器中的损耗。ESR值因温度、频率和电介质类型而异。绝缘电阻(IR)决定着在给定施加电压下电容器的直流漏电压。漏电流因温度和施加电压的大小而异。膜/陶瓷(静电)电容器的漏电电流通常比钽、铝(电解)电容器要低得多。

图3 (略)

在汽车应用中有各种类型和风格的电容器,但发展趋势是集成了更多功能的更复杂的电容器。尽管汽车行业应用了许多带有引线的器件,但是老式电路板正被表面封装元器件技术快速取代。

根据最常用的分类标准,电容器可分为两种基本构造类型。它们是静电(膜/陶瓷)以及电解(钽、铝)电容器。通常,静电电容器呈现非常低的ESR和阻抗,属于非极性器件。这意味着它们可以大批量组装并高速插入印刷电路板。电解电容器通常提供更高的电容值,但不是极性产品,因此必须以正确方向安装到板上。表1概括了这些电容器的基本特征。

但是,每一种电容器都有其独特的特征,即使在某一种电容器中,是否适合于给定应用还将取决于特定的电介质。例如,钽电容器没有磨损机构,特别适用于需要长寿命和高稳度的应用。运行温度每降低10℃,铝电容器的工作寿命将增加一倍,但是重要的是使它们远离洗涤剂。陶瓷电容器不需要浪涌电流抑制,但是需要针对高额定电压的器件实施高温点屏蔽。膜/箔电容器特别适用于高电流应用。金属化电容器拥有自我恢复功能,可以改善可靠性。

图4对拥有相似电容值的钽电容器和陶瓷电容器的ESR和Z值进行了比较。

图4 (略)

电容值随温度的变化而变化。这就是所谓的电容温度系数(TCC)。图5展示了钽和X7R陶瓷材料的比较。图6展示了钽和Y5V陶瓷的比较。在要求全温度范围内保持最低电容值的电路中,设计时必须考虑TCC。

图5 (略)

图6 (略)

对于陶瓷电容器来说,电容器的电压也影响电容值(电介质上的电场强度改变材料的有效电介质常数K)。正如从图6中看到的那样,这对于稳定的电介质(如NP0)或施加电压低于额定电压时,这不是一个问题。这种特性被称为电容电压系数(VCC)。图7显示了不同类型陶瓷材料的电容电压系数。

图7 (略)

表1 (略)

判定哪种电介质类型最适合特定应用通常并不容易。事实上,电容器的选择需要考虑很多方面。应用可能需要最小电容值或非常低的ESR。另外,还必须考虑电容器的成本和尺寸以及封装类型。寿命末期的可靠性问题也很重要。每种电容器都有其特定的属性。这些属性决定着哪类电容器适合哪类应用。

《世界电子元器件》2006.9
         
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