隨著汽車朝向電氣化和智能化快速演進(jìn)，汽車電子產(chǎn)品在整車中的“地位”也在不斷提升。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的分析數(shù)據(jù)，2020年汽車電子的整車成本占比為34.32%，到2030年將有望達(dá)到49.55%。

以車載收音機(jī)為代表，初代的汽車電子產(chǎn)品，其定位僅是為用戶提供一些比較“邊緣”化的功能體驗(yàn)；如今，汽車電子在推動(dòng)汽車發(fā)展的過(guò)程中，則處在“核心”位置。有研究表明，當(dāng)今70%以上的汽車創(chuàng)新都源自于汽車電子。從汽車行業(yè)市場(chǎng)營(yíng)銷的話術(shù)中，我們也能體會(huì)到，傳統(tǒng)汽車技術(shù)平臺(tái)中發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等這些“老明星”，正在讓位于電機(jī)、電池、電控、自動(dòng)駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等汽車電子驅(qū)動(dòng)下的“新勢(shì)力”。

不難發(fā)現(xiàn)，在這種趨勢(shì)下，推動(dòng)汽車發(fā)展的底層技術(shù)也在發(fā)生變化——電子元器件在整車技術(shù)生態(tài)中的影響力在不斷提升，即使是電子系統(tǒng)中那些“不起眼”的無(wú)源元件，也會(huì)在攻克汽車電子設(shè)計(jì)難題時(shí)，扮演至關(guān)重要的角色。

本文中，我們就將以TDK的幾款車規(guī)級(jí)元件為例，與大家一起探究，這些“小元件”如何通過(guò)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和出眾的性能，應(yīng)對(duì)汽車電子設(shè)計(jì)中的“大挑戰(zhàn)”。

挑戰(zhàn)一：提升電源效率

汽車電氣化的轉(zhuǎn)型以及電子設(shè)備的增加，勢(shì)必要求以更大的功率提供充足的電力。而想要實(shí)現(xiàn)在更高負(fù)載下以更高的效率提供更穩(wěn)定的電能，汽車電源系統(tǒng)從12V向48V升級(jí)，是一個(gè)重要的趨勢(shì)。

與傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)相比，48V系統(tǒng)一方面有利于承載更高的功率，另一方面由于電流消耗更低，可以使用更細(xì)更輕的線纜，從而有利于減輕供電線纜的重量，提升整車能源利用的效率和續(xù)航里程。

不過(guò)，考慮到很多車載電子設(shè)備依然采用12V電壓供電，因此在構(gòu)建48V系統(tǒng)時(shí)仍需要考慮到對(duì)12V應(yīng)用的支持。這時(shí)，如果不想再為此配置一塊12V的電池，那就需要在設(shè)計(jì)時(shí)采用混合DC/DC轉(zhuǎn)換器，以48V電池作為主電源，同時(shí)降低電壓為12V設(shè)備供電。由于只需使用單一電池電源，因此混合DC/DC轉(zhuǎn)換器提供了一種高效率、省空間的解決方案。

不過(guò)，混合DC/DC轉(zhuǎn)換器仍面臨著一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：首先，雖然無(wú)需12V電池，但系統(tǒng)電路的復(fù)雜性隨之增加，這會(huì)帶來(lái)額外的成本；其次，電壓轉(zhuǎn)換后輸出電壓的紋波會(huì)降低電源效率；再有，車載應(yīng)用有限的空間還會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型化提出更高的要求。想要有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，就需要從基礎(chǔ)元器件優(yōu)化設(shè)計(jì)上做文章。

為了滿足汽車48V電源系統(tǒng)中高效率、小型化混合DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)要求，EPCOS / TDK推出了ERUC23系列耦合電感器，其將兩個(gè)繞組集成到一個(gè)組件中，即兩個(gè)線圈共用一個(gè)磁芯，具有電感耦合的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)令外形更為緊湊——與單個(gè)電感器相比，ERUC23系列耦合電感器的封裝空間減小了近78%。

ERUC23系列還采用了低損耗鐵氧體磁芯材料、優(yōu)化的耦合線圈結(jié)構(gòu)、扁線繞組和自引線設(shè)計(jì)，這確保了其高飽和電流高效率和高可靠性。同時(shí)，ERUC23系列還具有低直流電阻，通過(guò)電感的耦合特性實(shí)現(xiàn)了更低的紋波電流，進(jìn)一步提升了效率表現(xiàn)。

總之，ERUC23系列耦合電感器通過(guò)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，在更小的封裝中減少了紋波和磁芯損耗，助力整體系統(tǒng)效率的提升，進(jìn)而有助于消除熱損耗及其導(dǎo)致的元器件老化，延長(zhǎng)使用壽命。ERUC23系列符合AEC-Q200車規(guī)，有-40°C至+150°C極寬的工作溫度范圍，無(wú)疑是混合DC/DC轉(zhuǎn)換及其他汽車電壓轉(zhuǎn)換拓?fù)涞睦硐脒x擇。

挑戰(zhàn)二：提高可靠性

汽車電子產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境特殊，因此需要更高的可靠性，確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。這樣的設(shè)計(jì)要求傳遞到元件上，使得不少在其他行業(yè)中如魚得水的產(chǎn)品，未必能夠在汽車電子應(yīng)用中游刃有余。因此，針對(duì)汽車應(yīng)用進(jìn)行元器件的改良和優(yōu)化，勢(shì)在必行。

以在電源系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的鋁電解電容器為例，其根據(jù)電解質(zhì)的種類，通常被分為“液態(tài)”和“固態(tài)”兩種類型。其中，液態(tài)鋁電解電容器具有容量大、耐壓高、漏電流低的優(yōu)勢(shì)；但受液態(tài)電解質(zhì)特性的影響，其高溫壽命較短，且由于需要采用特殊的密封罐型封裝，元件體積也較大。

為了克服液態(tài)鋁電解電容器的性能“短板”，人們?cè)O(shè)計(jì)出了采用導(dǎo)電聚合物作為電解質(zhì)的固態(tài)鋁電解質(zhì)電容器，其可以實(shí)現(xiàn)低ESR、穩(wěn)定的溫度特性、更高的安全性以及更長(zhǎng)壽命，在高可靠性上無(wú)疑更勝一籌；不過(guò)，這種全固態(tài)的結(jié)構(gòu)也決定了其在電容量、耐壓、漏電流等性能上無(wú)法達(dá)與液態(tài)電容器比肩。

當(dāng)我們聚焦到汽車電子應(yīng)用中，會(huì)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的液態(tài)和固態(tài)兩種鋁電解電容雖各有千秋，但都不是我們想要的兼具高性能和高可靠性的理想解決方案。這時(shí)，一種能夠結(jié)合液態(tài)和固態(tài)兩種電容器優(yōu)點(diǎn)的混合聚合物鋁電解電容器就應(yīng)運(yùn)而生了。

所謂“混合”就是指這種電容器在電解質(zhì)中融合了導(dǎo)電聚合物和電解液，這使其一方面可以通過(guò)電解液修復(fù)鋁氧化膜的作用，改善耐壓低、漏電流相對(duì)較高的問(wèn)題；另一方面也同樣具備與固態(tài)電容器相似的低ESR的特點(diǎn)，可以支持較高的紋波電流，并具有很長(zhǎng)的高溫壽命。而上述這些高耐壓、低漏電流、低ESR、高可靠、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，正是汽車電子應(yīng)用所需要的。

表1：混合、固態(tài)、液態(tài)鋁電解電容器的性能比較

TDK為適應(yīng)汽車電子高可靠性的設(shè)計(jì)要求，開(kāi)發(fā)出了豐富的混合聚合物鋁電解電容器產(chǎn)品組合，包括軸向和貼片兩種封裝類型，它們具有56μF至2200μF的電容值，在工作溫度范圍內(nèi)都具有大紋波電流和低ESR，以及長(zhǎng)使用壽命的特性，且符合AEC-Q200車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

其中，軸向型產(chǎn)品（如B40600、B40700、B40640和B40740等系列）采用軸向引線型設(shè)計(jì)或軸向焊接星型設(shè)計(jì)，它們均為緊貼散熱器做出了內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，故可實(shí)現(xiàn)與散熱器之間長(zhǎng)期可靠的連接，從而保證良好的散熱。這些混合電容器提供高至80V的耐壓，工作溫度范圍從-55°C到150°C，在125°C下額定使用壽命為4,000小時(shí)，在20°C環(huán)境溫度下的ESR值僅為3.5mΩ。

貼片型的產(chǎn)品系列外形更為緊湊，有25V，35V和63V耐壓可選，工作溫度高達(dá)125°C，使用壽命至少為4,000小時(shí)。其ESR≤20mΩ，在125°C和100kHz條件下具有4.6A的大紋波電流能力。

憑借上述這些特性，TDK的混合聚合物鋁電解電容器可適用于廣泛的汽車功率電子領(lǐng)域，比如48V車載電源的雙向變換器、混合傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)逆變器、電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及開(kāi)關(guān)電源上的輸出濾波，成為這些高性能、高可靠性設(shè)計(jì)的不二之選。

挑戰(zhàn)三：EMI降噪

當(dāng)越來(lái)越多的電子設(shè)備被部署到空間有限的汽車中，抑制EMI噪聲干擾也成為了一大挑戰(zhàn)。這時(shí)，就需要用到EMI抑制電容器，也就是所謂的安規(guī)電容。

EMI抑制電容器主要有兩個(gè)作用：一是消除電源線路中的噪聲，對(duì)共模、差模干擾起濾波作用；二是滿足安全規(guī)范要求，即使在電容器失效后，也不會(huì)導(dǎo)致電擊、燃燒等危害，不危及人身安全。

具體到汽車電子應(yīng)用中，其對(duì)EMI抑制電容器的選型有著更高的標(biāo)準(zhǔn)：

首先，電容器在關(guān)鍵性能上要達(dá)到相應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，如額定電壓和峰值脈沖電壓等。

其次，也是特別重要的一點(diǎn)，電容器必須有更強(qiáng)的惡劣環(huán)境的耐受能力，以滿足汽車應(yīng)用環(huán)境的要求。為此，想要“上車”的電容器需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的可靠性測(cè)試，比如根據(jù)IEC 60384-14.4標(biāo)準(zhǔn)的高溫高濕偏置（THB）試驗(yàn)。

此外，由于要在有限的電路板空間內(nèi)支持更高的功率要求，還需要EMI抑制電容器在外形上更為緊湊。

綜合上述的設(shè)計(jì)要求，在眾多電容器類型中，金屬化聚丙烯薄膜（MKP）電容器無(wú)疑是更為理想的選擇——其在不同溫度、頻率，以及長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，具有非常穩(wěn)定的性能；特別是其金屬化的電極具有自愈功能，在有小的損壞時(shí)，能夠自動(dòng)修復(fù)，使用壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上。因此如今在新能源汽車上，金屬化聚丙烯薄膜電容器的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多。

EPCOS/TDK的B3292xM3/N3系列X2 EMI抑制電容器，就是為滿足這樣的市場(chǎng)需求而打造的產(chǎn)品。其電容值為0.1μF至4.7μF，額定交流電壓為305V，工作溫度低于85℃時(shí)，連續(xù)直流電壓可達(dá)630V，由于采用了具有自愈性的金屬化聚丙烯膜（MKP），可確保長(zhǎng)期可靠性。

相比于前代產(chǎn)品，B3292xM3/N3系列體積減小了20%，在空間受限的車載應(yīng)用中也能游刃有余。

該EMI抑制電容器通過(guò)了嚴(yán)格的THB實(shí)驗(yàn)——在+85°C溫度、85%相對(duì)濕度和額定交流電壓下分別進(jìn)行了為期1000小時(shí)（引線間距≥22.5mm）或500小時(shí)（引線間距為15mm）的運(yùn)行試驗(yàn)，可確保滿足Grade III Test B標(biāo)準(zhǔn)。

B3292xM3/N3系列滿足AEC-Q200的要求，其更緊湊的尺寸與增強(qiáng)的耐用性，非常適合于各類多空間狹小和高濕度環(huán)境的汽車應(yīng)用。

本文小結(jié)

展望汽車行業(yè)的未來(lái)，暢想智慧出行的種種奇妙體驗(yàn)，是一件令人興奮的事情。不過(guò)每一位汽車電子的開(kāi)發(fā)者都深知，通往這個(gè)美好新世界的道路，并非坦途，其中有很多技術(shù)障礙需要去克服。

應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要通過(guò)優(yōu)化和創(chuàng)新，夯實(shí)每一塊技術(shù)基石，也包括電容器、電感器這些“微小”的元件。哪些TDK的“小元件”，可以為你的汽車電子設(shè)計(jì)帶來(lái)“大驚喜”？隨我們來(lái)仔細(xì)探究吧——