如何為具可靠性的汽車應(yīng)用選擇正確的電容器

雖然無源器件(如電容器)不像微型處理器和數(shù)字信號處理器那么富有魅力，但對汽車應(yīng)用仍然要具備可靠性。為現(xiàn)在的汽車電子選擇最具可靠性的電容器，需要設(shè)計(jì)工程師對一系列不同的元器件參數(shù)及其性能特征作出檢測。下一步則要考慮汽車電子設(shè)備所使用的環(huán)境及其所服務(wù)的具體應(yīng)用?，F(xiàn)在，我們來看看四大電介質(zhì)類電容——鉭電容、鋁電解電容、多膜電容和陶器電容的特點(diǎn)；解釋一下電容溫度系數(shù)與電壓系數(shù)的概念；看看這些因素及其它一些因素是如何影響到特定應(yīng)用的電容選擇。

每種不同的電容電介質(zhì)都有它特定的電容及電壓范圍(見下文)。但是，由于應(yīng)用要求電容值大約在0.1到10F之間，電壓小于50V，因此會出現(xiàn)幾種重疊的選擇。

為了找出這些不同類型電容器的性能特征，需要掌握一些有關(guān)電容器的基本知識。我們只需用一個(gè)公式就能把每種電容器的容值測定出來：

每種電容電介質(zhì)都有固定的介電常數(shù)(K)，因此，對于給定的電容電介質(zhì)類型，電容的大小與電容器活性極板的表面積(A)成正比，與電介質(zhì)的厚度(t)成反比。電介質(zhì)的厚度也決定了電容器的電壓承受能力(額定電壓)。

下面給出了這四種基本類型電容器的典型介電常數(shù)及電介質(zhì)強(qiáng)度值(耐壓)。如我們看到的一樣，當(dāng)一個(gè)低介電常數(shù)與一個(gè)低介質(zhì)擊穿強(qiáng)度耦合在一起時(shí)(像與多膜電容相連一樣)，會出現(xiàn)一個(gè)低的容積效率。但是，物體尺寸只是電容器的特征之一。例如，薄膜電容器的尺寸非常大，但卻具備十分高效和穩(wěn)定的電子特征，從而彌補(bǔ)了它尺寸大的缺點(diǎn)。

下圖所示為電容器的工作過程。等效串聯(lián)電阻(ESR)是阻抗的實(shí)部，代表著電容的損耗。ESR值會隨著溫度、頻率和電介質(zhì)類型的變化而變化。絕緣電阻決定了電容兩端施加給定電壓時(shí)直流漏電流的大小。漏電流隨溫度及作用在電容兩端的電壓大小的變化而變化，并且薄膜和陶瓷型(靜電)電容的漏電流要比鉭和鉛電解電容的漏電流要小得多。

在汽車應(yīng)用中采用了各種類型的電容器，但現(xiàn)在更趨向于采用容量更大和復(fù)雜性更高的元器件。盡管汽車工業(yè)采用了許多含鉛元器件，但老式的電路板正飛速地被表面貼裝元件(SMD)技術(shù)所取代。

在最最常見的分類中，把電容器分為兩類基本架構(gòu)：靜電電容(薄膜電容和陶瓷電容)和電解電容(鉭電容和鋁電容)。靜電電容一般呈現(xiàn)出很低的ESR值和阻抗(Z)，并且是無極性元件，這意味著它們可以被大量送入裝配線以高速插入印制電路板。一般來說，電解電容能提供更高的容值，但是它屬于有極性元件，因此必須按正確的極性安裝在印制板上。下表總結(jié)了幾條比較這些類型電容的基本標(biāo)準(zhǔn)。

然而，每個(gè)電容，每種類型都有它獨(dú)特的特征；即使在一種特別類型的電容器中，它是否適合于給定的應(yīng)用取決于它具體的電介質(zhì)。例如，鉭電容沒有磨損失效機(jī)理，并且特別適合用在需要壽命長和穩(wěn)定性的應(yīng)用上。溫度每降低10C，鋁電容的預(yù)期壽命會延長一倍，但讓它們遠(yuǎn)離洗滌劑是很重要的。

陶器電容不需要屏蔽浪涌電流，但是對具有高額定電壓的元件需要高壓屏蔽。薄膜及金屬膜電容器特別適用于高電流應(yīng)用上，而且金屬型電容器有自我修復(fù)的特點(diǎn)，可以提高應(yīng)用的可靠性。

由于篇幅有限，本文很難對各種電介質(zhì)間電氣性能的具體差異做詳細(xì)的描述。但是，下表舉了幾個(gè)例子來幫助我們了解有關(guān)不同類型電容的信息，這對我們充分評估一個(gè)給定電容的應(yīng)用來說是有必要的。

下面比較了具有相近容值的鉭電容和陶器電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)及阻抗(Z)。

電容溫度系數(shù)

隨著溫度的變化，電容值也會發(fā)生改變。這就稱為電容溫度系數(shù)(TCC)。下面是一個(gè)鉭電容與一個(gè)Y5V陶瓷電容的比較。

下面的曲線顯示了鉭電容與X7R陶瓷電容的比較情況。在電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)整個(gè)溫度范圍要求一個(gè)最小容值的時(shí)候，就必須在設(shè)計(jì)中考慮選用TCC。

電容電壓系數(shù)

對陶瓷電容而言，作用于電容器上的電壓也會影響它的容值(電介質(zhì)之間的電場強(qiáng)度會改變材料的有效介電常數(shù))。如上圖所示，在比較額定電壓的時(shí)候，對于NPO這樣的穩(wěn)定電介質(zhì)或當(dāng)額定電壓的百分比低時(shí)，這就不是一個(gè)問題。這個(gè)特征就稱為電容電壓系數(shù)(VCC)，下面顯示了幾種不同的陶瓷電容的電容電壓系數(shù)。

結(jié)論

要確定最適合于給定應(yīng)用的電介質(zhì)類型并不是件易事，選擇一個(gè)電容器的確是設(shè)計(jì)多方面的問題。應(yīng)用可能需要一個(gè)最小容值，或一個(gè)極低的ESR值。電容的成本、大小以及它的封裝也都必須加以考慮。生命終期的可靠性問題也很重要。每種電容器都有自己的一組特性，這些特性會讓使它成為給定應(yīng)用的最佳選擇。