【導(dǎo)讀】想要為當(dāng)今汽車電子產(chǎn)品選擇性能可靠的電容器，需要仔細(xì)分析各類參數(shù)。首先，必須了解各種電容技術(shù)的性能特點(diǎn)。其次，應(yīng)考慮汽車環(huán)境和特定應(yīng)用，從而找到成效比優(yōu)異的可靠解決方案。本文將探討四種主要電介質(zhì)電容器的特點(diǎn)：鉭電解、鋁電解、薄膜和陶瓷。此外，還將說明汽車環(huán)境，并列出汽車應(yīng)用的一般類別。
電解質(zhì)電容的特點(diǎn)
圖1
圖1展示了一些常見電容器電介質(zhì)的典型容值和電壓范圍。有趣的是，針對需要大約 0.1 μF 到 100 μF 的電容值和小于 50 V 的電壓的應(yīng)用，存在多種選擇。為了進(jìn)一步明確這些不同類型電容器的性能特點(diǎn)，我們需要了解一些電容器的基礎(chǔ)知識(shí)。
圖2
圖2顯示了這四種基礎(chǔ)電容器的典型電介質(zhì)常數(shù)(K)和電介質(zhì)強(qiáng)度值。當(dāng)K值和電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度較低時(shí)（如薄膜電容器），電容器的容積效率也很低。不過，物理尺寸只是給定電容器類型的一個(gè)特征。例如，薄膜電容器體積相當(dāng)大，但卻具有極高的效率和電介質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。
圖3
電容器等效電路如圖3所示。等效串聯(lián)電阻(ESR)是阻抗的主要部分，代表電容器的損耗。ESR值因溫度、頻率和電介質(zhì)類型而不同。絕緣電阻(IR)決定了給定電壓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
圖4中的公式揭示了電容器的重要關(guān)系：容抗、耗散因數(shù)、感抗及阻抗。注意：用于模擬絕緣電阻(IR)的是一個(gè)阻值非常高的電阻，為簡單起見，在推導(dǎo)總阻抗(Z)時(shí)通常將其忽略。
Z 在確定電容對輸入信號(hào)的影響時(shí)很重要。充/放電循環(huán)期間，低 ESR 是實(shí)現(xiàn)高效率、低熱耗和可靠性的關(guān)鍵。容抗(XC)和感抗(XL)表示器件能量存儲(chǔ)容量和感應(yīng)場生成。注意，當(dāng) XC 與 XL 相等時(shí)，達(dá)到器件諧振頻率。選擇通過去耦電容用來去除直流(DC)信號(hào)中的交流(AC)分量/噪聲時(shí)，這一點(diǎn)很重要。為有效去除直流電源軌的交流信號(hào)分量，應(yīng)選擇諧振頻率接近去除交流噪聲頻率的電容器，以減小阻抗，最大化對地去耦。
電子元件的汽車環(huán)境和應(yīng)用
電子元件的汽車應(yīng)用一般分為六個(gè)領(lǐng)域：
● 動(dòng)力總成控制系統(tǒng)（電控發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和排放控制）。目前，電動(dòng)汽車的發(fā)展為功率轉(zhuǎn)換和電控元件增加了大量新的機(jī)會(huì)
● 車輛控制（防抱死制動(dòng)、主動(dòng)懸架、牽引控制、助力及四輪轉(zhuǎn)向）
● 安全、舒適和便利（安全氣囊執(zhí)行器、防碰撞、空調(diào)、巡航控制和防盜）
● 車載娛樂
● 駕駛員信息顯示和音頻報(bào)警系統(tǒng)
● 診斷和維修
其中，一些汽車工作環(huán)境也會(huì)比其他環(huán)境更為嚴(yán)苛。圖5向大家展示了發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車廂工作條件的特點(diǎn)。
圖5
四種主要電容器技術(shù)
介紹完主要的汽車環(huán)境和應(yīng)用，我們將研究四種主要電容器技術(shù)的特點(diǎn)，及其對電路性能和長期可靠性的影響。
根據(jù)最常用的分類標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)電容器可分為兩種基本構(gòu)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器件，一般ESR和阻抗非常低。電解電容器通常容值更高，且有極性之分。
鉭電容器
● 額定電壓 2.5 VDC 至 63 VDC 表面貼裝器件(SMD) 和 125V 軸向引線型。注意：為獲得優(yōu)異的可靠性，固態(tài)鉭電容器工作電壓應(yīng)降至額定電壓的50%，鉭聚合物和液鉭軸向電容器降至額定電壓的80%
● 電氣特性時(shí)間和溫度變化非常穩(wěn)定
● 表面貼裝器件容值達(dá) 2200 μF，軸向液鉭電容器容值高達(dá) 10,000 μF
● 較大外形尺寸表面貼裝器件需要浪涌測試/篩選（低ESR，高容量）
● 正常電壓降額條件下典型故障率為 5 FIT - 15 FIT（每十億小時(shí)故障次數(shù)）
鋁電容器
● 額定電壓 6.3 VDC 至450 VDC（表面貼裝器件）。大型圓柱式鋁電容工作電壓更高
● 85?C、105?C或 120?C額定溫度
● 表面貼裝器件容量最高 10 mF
● 不需要浪涌電流篩選
● 鋁電容存在自然磨損機(jī)理，滿額定電壓和最高溫度條件下使用壽命限于 5,000 小時(shí)。降額至額定電壓的 80 %，使壽命可延長 2 倍
陶瓷電容器
● 額定電壓為 6.3 VDC 至 5,000 VDC（大多數(shù)使用條件為 100 V 或以下）；不需要電壓降額，但必須考慮容值的電壓系數(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)有效容值可能下降 40 %
● 工作溫度可能超過 150?C
● 非極性器件（可批量進(jìn)料高速插件）
● ESR 和直流漏電流非常低
● 典型故障率低于 1 FIT；典型故障模式為短路或參數(shù)漂移
薄膜電容器
● 額定電壓為 16 VDC 至 2,000 VDC; 不需要電壓降額
● 大部分類型工作溫度為 105?C (PPS 為 125?C)
● 超低ESR和直流漏電流
● 典型故障率低于 5 FIT；典型故障為開路或參數(shù)漂移
● 表面貼裝產(chǎn)品有限
上列特征有助于設(shè)計(jì)工程師在電容器選型中做出選擇。另外，成本、尺寸和工藝性也是需要考慮的因素。
為特定應(yīng)用選出最適合的電容器往往并不容易。下面針對汽車和其他電子電路中的主要電路類型，我們提供了一些通用指南。
1、電源濾波：高容量、低ESR、耐高溫——鉭、鋁電容器（部分陶瓷和薄膜電容器）
2、大容量儲(chǔ)能：高容量、低ESR（用于快速放電和脈沖應(yīng)用）——鉭、鋁電容器（部分薄膜電容器）
3、調(diào)諧與時(shí)序：溫度和頻率范圍內(nèi)容值穩(wěn)定，熱循環(huán)下可重復(fù)——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(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了某種電容器可能是給定應(yīng)用最合理的選擇。電容器成本、尺寸、封裝類型和生命周期內(nèi)可靠性問題也是重要考慮因素。由于有多方面的選擇，因此必須參考每個(gè)制造商具體電容器的技術(shù)規(guī)格。作為電容器技術(shù)和制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，Vishay 隨時(shí)為電子設(shè)計(jì)工程師提供各種汽車應(yīng)用選擇。服務(wù)于全球客戶，Vishay 始終承載著科技基因——The DNA of tech.?。
來源：Vishay威世科技，原創(chuàng)：Andrew Wilson
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