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[分享] 如何为具可靠性的汽车应用选择正确的电容器

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发表于 2016-1-22 11:45:40 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  虽然无源器件(如)不像微型处理器和数字信号处理器那么富有魅力,但对汽车应用仍然要具备。为现在的选择最具可靠性的电容器,需要设计工程师对一系列不同的元器件参数及其性能特征作出检测。下一步则要考虑汽车电子设备所使用的环境及其所服务的具体应用。现在,我们来看看四大电介质类电容——钽电容、铝电解电容、多膜电容和陶器电容的特点;解释一下电容温度系数与电压系数的概念;看看这些因素及其它一些因素是如何影响到特定应用的电容选择。
  每种不同的电容电介质都有它特定的电容及电压范围(见下文)。但是,由于应用要求电容值大约在0.1到10F之间,电压小于50V,因此会出现几种重叠的选择。
  为了找出这些不同类型电容器的性能特征,需要掌握一些有关电容器的基本知识。我们只需用一个公式就能把每种电容器的容值测定出来:
  每种电容电介质都有固定的介电常数(K),因此,对于给定的电容电介质类型,电容的大小与电容器活性极板的表面积(A)成正比,与电介质的厚度(t)成反比。电介质的厚度也决定了电容器的电压承受能力(额定电压)。
  下面给出了这四种基本类型电容器的典型介电常数及电介质
强度值(耐压)。如我们看到的一样,当一个低介电常数与一个低介质击穿强度耦合在一起时(像与多膜电容相连一样),会出现一个低的容积效率。但是,物体尺寸只是电容器的特征之一。例如,薄膜电容器的尺寸非常大,但却具备十分高效和稳定的电子特征,从而弥补了它尺寸大的缺点。  下图所示为电容器的工作过程。等效串联电阻(ESR)是阻抗的实部,代表着电容的损耗。ESR值会随着温度、频率和电介质类型的变化而变化。绝缘电阻决定了电容两端施加给定电压时直流漏电流的大小。漏电流随温度及作用在电容两端的电压大小的变化而变化,并且薄膜和陶瓷型(静电)电容的漏电流要比钽和铅电解电容的漏电流要小得多。
  在汽车应用中采用了各种类型的电容器,但现在更趋向于采用容量更大和复杂性更高的元器件。尽管汽车工业采用了许多含铅元器件,但老式的电路板正飞速地被表面贴装元件(SMD)技术所取代。
  在最最常见的分类中,把电容器分为两类基本架构:静电电容(薄膜电容和陶瓷电容)和电解电容(钽电容和铝电容)。静电电容一般呈现出很低的ESR值和阻抗(Z),并且是无极性元件,这意味着它们可以被大量送入装配线以高速插入印制电路板。一般来说,电解电容能提供更高的容值,但是它属于有极性元件,因此必须按正确的极性安装在印制板上。下表总结了几条比较这些类型电容的基本标准。
  然而,每个电容,每种类型都有它独特的特征;即使在一种特别类型的电容器中,它是否适合于给定的应用取决于它具体的电介质。例如,钽电容没有磨损失效机理,并且特别适合用在需要寿命长和稳定性的应用上。温度每降低10C,铝电容的预期寿命会延长一倍,但让它们远离洗涤剂是很重要的。
  陶器电容不需要屏蔽浪涌电流,但是对具有高额定电压的元件需要高压屏蔽。薄膜及金属膜电容器特别适用于高电流应用上,而且金属型电容器有自我修复的特点,可以提高应用的可靠性。
  由于篇幅有限,本文很难对各种电介质间电气性能的具体差异做详细的描述。但是,下表举了几个例子来帮助我们了解有关不同类型电容的信息,这对我们充分评估一个给定电容的应用来说是有必要的。
  下面比较了具有相近容值的钽电容和陶器电容的等效串联电阻(ESR)及阻抗(Z)。
  电容温度系数
  随着温度的变化,电容值也会发生改变。这就称为电容温度系数(TCC)。下面是一个钽电容与一个Y5V陶瓷电容的比较。
  下面的曲线显示了钽电容与X7R陶瓷电容的比较情况。在电路设计中,当整个温度范围要求一个最小容值的时候,就必须在设计中考虑选用TCC。
  电容电压系数
  对陶瓷电容而言,作用于电容器上的电压也会影响它的容值(电介质之间的电场强度会改变材料的有效介电常数)。如上图所示,在比较额定电压的时候,对于NPO这样的稳定电介质或当额定电压的百分比低时,这就不是一个问题。这个特征就称为电容电压系数(VCC),下面显示了几种不同的陶瓷电容的电容电压系数。
  结论
  要确定最适合于给定应用的电介质类型并不是件易事,选择一个电容器的确是设计多方面的问题。应用可能需要一个最小容值,或一个极低的ESR值。电容的成本、大小以及它的封装也都必须加以考虑。生命终期的可靠性问题也很重要。每种电容器都有自己的一组特性,这些特性会让使它成为给定应用的最佳选择。
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