基于鉭電容和氧化鈮電容提高汽車系統(tǒng)性能

各種各樣的電子系統(tǒng)被裝備到現(xiàn)代汽車中，其中有許多系統(tǒng)直接影響到汽車的可靠性和乘客的安全性。反之，這也意味著關(guān)鍵電子系統(tǒng)中使用的電子元件必須非常可靠。電容被廣泛應(yīng)用于許多汽車電子系統(tǒng)，其質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性必須經(jīng)過(guò)汽車制造商的嚴(yán)格把關(guān)。

如果將鉭電容和氧化鈮電容與其它電容技術(shù)相比，我們可以發(fā)現(xiàn)許多顯著優(yōu)勢(shì)。

與鋁電解電容相比

與鋁電解電容不同的是，鉭電容和氧化鈮電容不存在干涸效應(yīng)，因此具有更穩(wěn)定的電氣參數(shù)(電容、ESR、漏電流等)，這意味著它們的性能和功能可以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持一致和可靠。

與多層陶瓷芯片電容相比

鉭電容和氧化鈮電容不存在任何壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)會(huì)在多層陶瓷電容(MLCC)中產(chǎn)生討厭的額外噪聲。鉭和氧化鈮器件的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是在一定溫度和直流偏置范圍內(nèi)具有更好的參數(shù)穩(wěn)定性。寬頻耦合要求高端電容在一定溫度和直流電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。由于沒(méi)有壓電效應(yīng)，電容值隨溫度變化較小，且與電壓無(wú)關(guān)，鉭或氧化鈮電容比MLCC更適合用于耦合電路。

此外，AVX公司的鉭電容和氧化鈮(OxiCap)電容是根據(jù)汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)TS16949生產(chǎn)的，各系列電容完全滿足AEC-Q200技術(shù)要求，是汽車應(yīng)用的理想之選。

AVX鉭電容和氧化鈮電容應(yīng)用指南

為了在設(shè)計(jì)中能正確使用鉭電容和氧化鈮電容，我們必須充分考慮目標(biāo)電路和設(shè)備的所有重要的電氣和物理?xiàng)l件。輸入?yún)?shù)通常需要提供電容值，這個(gè)值可以根據(jù)電源線濾波比、最大壓降等計(jì)算出來(lái)。正確選擇電容需要考慮的另一個(gè)重要參數(shù)是直流工作電壓。推薦電壓降額使用這個(gè)一般規(guī)則很重要，對(duì)所有鉭電容來(lái)說(shuō)降低幅度為50%，氧化鈮電容是20%，這意味著鉭電容的工作電壓最高為額定電壓Vr的一半，氧化鈮電容的工作電壓為其額定電壓的80%。遵守這個(gè)規(guī)則很重要，因?yàn)檫@樣做可以保護(hù)器件免受意外電流浪涌和過(guò)壓的傷害，而這種情況在汽車電路中很可能發(fā)生。然而，用于主輸出電路的鉭電容降額電壓與汽車電池線有很好的隔離，在過(guò)壓時(shí)具有保護(hù)作用，并具有緩慢加電模式(軟啟動(dòng)電路)，比如低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出。在這種情況下，允許使用低至20%的降額幅度。工作溫度范圍告訴我們選擇電容時(shí)主要考慮最大溫度值，但也要認(rèn)識(shí)到，當(dāng)高溫超過(guò)85℃時(shí)我們必須使用額外的電壓溫度降額值。在實(shí)際溫度下電容允許的最大直流電壓被稱為類別電壓(額定電壓只是在室溫25℃情況時(shí)的其中一種類別電壓值)。

如果正常工作溫度超過(guò)85℃，那么工作降額與溫度降額應(yīng)結(jié)合起來(lái)考慮。例如，在可能出現(xiàn)浪涌和電壓尖峰的電路中最高工作溫度達(dá)125℃的鉭電容：工作降額為50%，即電壓最高為額定電壓Vr的50%，125℃時(shí)(最壞情況下)的溫度降額為33%，即電壓最大值是Vr的66%。兩者結(jié)合后為0.5×0.66=0.33，這意味著鉭電容可以在最大為額定電壓Vr的33%的電壓下使用(針對(duì)最差工作條件)。

圖1：胎壓監(jiān)控系統(tǒng)模塊圖。

要想避免電容出現(xiàn)上電或啟動(dòng)電流過(guò)載，了解經(jīng)過(guò)電容的最大工作浪涌電流(單峰)很重要。這個(gè)電流可以根據(jù)電源內(nèi)部電壓以及與待測(cè)電容串連的所有器件的內(nèi)部電阻(包括有效串聯(lián)電阻ESR)計(jì)算出來(lái)。工作最大浪涌電流應(yīng)小于電容的最大允許浪涌電流Ipmax=(1.1×Vr)/(0.45+ESR)。在工作電流太高的情況下可以采取更大的降額幅度，因此選擇的額定電壓越高，電容的最大浪涌電流Ipmax也越大(見(jiàn)上圖)。

電容的最大紋波電流是流過(guò)電容的最大交流電流值，它有兩個(gè)主要的參數(shù)：有效值(rms, ACIrms, Ir)和頻率f。紋波電流受限于電容ESR上的電流產(chǎn)生的最大功耗Pd。電容體積越大，允許的功耗也越大，每種體積的功耗是常數(shù)。ESR越小，功耗就越小，允許的紋波電容也就越大。參見(jiàn)一般公式Pd=ESR×Ir×Ir。對(duì)有較高要求的紋波電流來(lái)說(shuō)，低ESR、大體積、可能多陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)是最佳選擇。

以上應(yīng)用規(guī)則的結(jié)合可以幫助設(shè)計(jì)師選定具有特定體積的合適電容，或?qū)Ⅲw積放在標(biāo)準(zhǔn)的第一要素，然后在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)其它優(yōu)先級(jí)列表進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。有可能出現(xiàn)只有一個(gè)電容不能滿足應(yīng)用需求、因此需要同時(shí)使用多個(gè)器件的情況，此時(shí)基本上只推薦相同的電容進(jìn)行整合。并行連接可以增加電容值(乘法)和降低ESR(除法)，而串行連接可以增加總的允許直流電壓值(額定電壓相乘)，但會(huì)降低電容容量(除法)和增加ESR(乘法)。對(duì)于串行連接而言，推薦用分壓器并行連接電容，此時(shí)電阻值應(yīng)根據(jù)10倍的電容直流漏電流(類別值)進(jìn)行計(jì)算。

汽車應(yīng)用中的鉭電容

標(biāo)準(zhǔn)可靠性電容，比如AVX的TAJ/TPS(1%/1000小時(shí))，非常適合一般汽車系統(tǒng)使用。TAJ器件提供標(biāo)準(zhǔn)的ESR性能：需要更低ESR值的設(shè)計(jì)師應(yīng)選用TPS器件。這些電容容量最高可達(dá)2200μF，最高額定電壓為50V，工作溫度范圍為-55℃至125℃。低ESR的TPS系列電容非常適合要求能量脈沖的應(yīng)用使用，以便電容支持負(fù)載處的電源。圖A顯示了用于設(shè)置座位位置的步進(jìn)電機(jī)的橋接電路。電容放在電機(jī)旁邊，有助于向電機(jī)提供電流脈沖。

圖2：汽車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)單元。

開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)電路在主輸出電容位置也要求使用低ESR電容。汽車中使用的幾乎所有電子部件都適應(yīng)電源輸入端的DC/DC電源，而且大部分是SMPS，這要?dú)w功于它們的高能效值。SMPS中使用的TPS或TPM(多陽(yáng)極結(jié)構(gòu))電容有助于提高效率和降低(欠載時(shí)的)輸出紋波電壓，因?yàn)樗鼈兙哂休^低的ESR。

AVX公司開(kāi)發(fā)的TRJ專業(yè)鉭電容系列產(chǎn)品適合在電氣和機(jī)械壓力下要求有較高性能表現(xiàn)的嚴(yán)酷環(huán)境下使用，經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)改造進(jìn)一步增強(qiáng)了電容結(jié)構(gòu)，使得這種電容在這些環(huán)境下具有更強(qiáng)的魯棒性能。

在標(biāo)準(zhǔn)可靠性的TAJ/TPS和TRJ產(chǎn)品之間存在幾點(diǎn)主要區(qū)別，正是這些不同之處增強(qiáng)了可靠性(0.5%/1000小時(shí))：使用了經(jīng)試驗(yàn)證明效果良好的鉭粉，能確保電氣性能的長(zhǎng)期可靠性。在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中遵循保守的設(shè)計(jì)規(guī)則。采取了非常嚴(yán)格的質(zhì)量控制和額外測(cè)試措施。100%嚴(yán)格的浪涌電流篩選以及擴(kuò)展電氣測(cè)試和加速燒入工藝的使用使得這些電容達(dá)到并驗(yàn)證了高魯棒性。漏電流減少到標(biāo)準(zhǔn)鉭規(guī)格的75%，這在胎壓監(jiān)視系統(tǒng)等電池應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

TRJ系列電容的增強(qiáng)性能對(duì)汽車電子設(shè)備的高可靠性電路來(lái)說(shuō)極具價(jià)值，這些電路包括ABS和ESP系統(tǒng)、氣囊控制系統(tǒng)或通信總線等(圖C)。今天的汽車使用越來(lái)越多的電子裝置以便解決空間受限問(wèn)題，并消除互連電纜造成的重量。使用具有較少線纜并且在任何工作條件下都可靠的通信總線是一種顯而易見(jiàn)的方案。圖C給出了TRJ電容在總線驅(qū)動(dòng)器中的使用情況，由于能夠很好地支持發(fā)送放大器，TRJ電容能加快數(shù)字響應(yīng)速度。

圖3：噴射與燃油效率控制單元。

標(biāo)準(zhǔn)鉭電容技術(shù)的工作溫度范圍通常是-55℃至+125℃，因而限制了這些電容只能用于車內(nèi)娛樂(lè)環(huán)境和其它較低溫度的應(yīng)用。一些制造商專門推出車用系列產(chǎn)品，將鉭電容擴(kuò)展應(yīng)用到了發(fā)動(dòng)機(jī)艙系統(tǒng)(圖2，圖3)，這種環(huán)境要求連續(xù)工作溫度最高為150℃。然而，汽車行業(yè)要求元件的最高工作溫度能達(dá)到175℃。AVX的THJ系列電容能夠滿足這個(gè)要求，這種電容的工作范圍是-55℃至+175℃。類別電壓，即考慮了實(shí)際工作溫度后的最大工作電壓，是175℃時(shí)額定電壓的一半。THJ系列鉭電容還能夠提供更強(qiáng)的可靠性(故障率為0.5%/1000小時(shí))，并且在125℃時(shí)的類別電壓(額定電壓的78%)也比標(biāo)準(zhǔn)器件(一般僅為額定電壓Vr的66%)高。THJ電容最大容量為150μF，最高額定電壓為50V。

汽車應(yīng)用中的OxiCap氧化鈮電容

NOJ和NOS低ESR值氧化鈮電容使用氧化鈮粉作為陽(yáng)極的主要材料。與鉭或鈮粉等純金屬材料相比，氧化鈮具有高得多的點(diǎn)火能量(200次)和低得多的燃燒速率。這個(gè)特性意味著氧化鈮電容不會(huì)高至類別電壓。如果電路處于電壓尖峰或大電流沖擊等過(guò)載狀態(tài)，那么另一種典型的故障模式就是高阻(通常是20到200 kΩ)。這種過(guò)載將導(dǎo)致漏電流增加和電容值減小。而氧化鈮電容即使受到浪涌沖擊也能繼續(xù)提供全部的容量和功能，其代價(jià)是功耗有所增加。

NOJ氧化鈮系列電容具有非常高的可靠性(故障率為0.5%/1000小時(shí))，而低ESR值的NOS器件具有更低的失效率(0.2%/1000小時(shí))，甚至比鉭電容更可靠。這些電容適合軌電壓最高為8V的應(yīng)用，如車內(nèi)娛樂(lè)系統(tǒng)、座位調(diào)整模塊、氣囊控制等。另外，氧化鈮器件可以提供無(wú)噪聲性能，并且具有非常好的溫度穩(wěn)定性，這是高品質(zhì)聲音的首選特性，對(duì)汽車音響設(shè)備來(lái)說(shuō)也是一大優(yōu)勢(shì)。

我們可以在音頻電路的信號(hào)路徑中的兩個(gè)關(guān)鍵位置使用氧化鈮電容。首先是輸入耦合電容，該處通常連接著一個(gè)音頻級(jí)的低阻抗輸出和另一個(gè)音頻級(jí)的高阻抗輸入。一般此處使用低至1～10μF的電容。第二個(gè)地方是輸出耦合電容，該處通常是將放大器的低阻抗輸出通過(guò)隔直電容連接到輸出電聲變換器，如耳機(jī)或揚(yáng)聲器。這種應(yīng)用要求使用大得多的電容：數(shù)百到數(shù)千μF。

總之，鉭電容和氧化鈮電容非常適合所有現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)使用，不管這些系統(tǒng)的要求是更高的可靠性、更寬的溫度范圍還是更低的漏電流。