選擇支援汽車應用的可靠電容器

作者 : Andrew Wilson，Vishay鉭電容器業務部資深產品行銷經理

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；此外還將說明汽車環境，並列出一般汽車應用...

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至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1：常見電容器介電質的典型容值和電壓範圍。

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。

圖2：基本電容器類型的典型介電常數(K)和介電強度值。

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3：電容器的等效電路。

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。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。

圖4：透過公式顯示電容器的重要關係：容抗、耗散因數、感抗及阻抗。

Z在確定電容器如何影響輸入信號時很重要。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(X_C )和感抗(X_L)表示元件的能量存儲容量和感應場產生。注意，當X_C與X_L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(EV)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、主動懸吊、牽引控制、動力及四輪驅動轉向)；
3. 安全、舒適和便利(安全氣囊啟動器、防碰撞、空調、巡航控制和防盜)；
4. 車載娛樂；
5. 駕駛人資訊顯示和音訊警示系統；
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顯示引擎室和駕駛艙操作條件的特點。

圖5：引擎室和駕駛艙操作條件的特點。

以上介紹了主要汽車環境和應用，下面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5VDC至63VDC表面貼片元件(SMD) 和125V軸向引線型。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2200μF，軸向液鉭電容器電容值高達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3VDC至450VDC (表面貼片電容器)。大型圓柱式鋁電解電容器工作電壓更高。
• 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。
• 鋁電解電容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3VDC至5000VDC (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1FIT；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至2000VDC；不需要電壓降額。
• 大部份類型工作溫度為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。

上列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(部份陶瓷和薄膜電容器)。
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(部份薄膜電容器)。
3. 調諧頻與時序：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。作為電容器技術和製造領域的領導者，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.™。

本文作者Andrew Wilson現任Vishay鉭電容器業務部資深產品行銷經理。此前，他曾擔任TTI地區業務開發經理、Sensata Technologies市場部經理和歐司朗(Osram)北美OEM組件部首席行銷經理。Andrew 是一位擁有兩項專利和電子封裝整合經驗的機械工程師，畢業於Wentworth Institute of Technology，獲得Northeastern University MBA學位。

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