选择支持可靠汽车应用的电容器-EDA365

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选择支持可靠汽车应用的电容器

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为今天的汽车电子产品选择最可靠的电容器，设计师需要仔细分析大量的器件参数和性能特点。接下来是考虑这些器件的工作环境以及特定目标应用。本文探讨了四种主要电介质电容器的特点钽、铝电解、聚脂膜以及陶瓷。本文还介绍了电容温度系数、电容电压系数以及影响电容器选择的其他因素。

对于各种电容器电介质，需要注意到的第一点是，每一种电容器电介质都有典型的电容和电压范围(见图1)。但是，对于需要电容值约在0.1 F到10 F之间并且电压小于50V的应用，我们有若干选择。为了搞清楚不同类型电容器的性能特点，需要运用电容器的一些基础知识。

每种电容器的电容值都可以运用同一个方程式来确定：C=(K x A)/t。每种电容器电介质类型的电介质常数(K)是固定的。因此，对于给定的电容器电介质类型，电容量直接与电容器通电板表面面积(A)相关，并且与电介质厚度(t)成反比。电介质厚度还决定着电容器的耐压能力(额定电压)。

图2展示了这四种基本电容器的电介质常数和电介质强度（耐受电压）值。正如我们所看到的那样，当K值与电介质击穿强度都较低时（如聚脂膜电容器），结果将是较低的容积效率。但是，尺寸只是给定电容器类型的一个特征。例如，膜电容器的体积相当大，但却有极高的效率和稳定的电介质特点，从而弥补了体积较大的劣势。

图3是电容器的工作原理图。等效串联电阻（ESR）是阻抗的主要部分，代表了电容器中的损耗。ESR值因温度、频率和电介质类型而异。绝缘电阻（IR）决定着在给定施加电压下电容器的直流漏电压。漏电流因温度和施加电压的大小而异。膜/陶瓷（静电）电容器的漏电电流通常比钽、铝（电解）电容器要低得多。

汽车应用中有各种类型和风格的电容器，但发展趋势是集成了更多功能的更复杂的电容器。尽管汽车行业应用了许多带有引线的器件，但是老式电路板正被表面封装元器件技术快速取代。

根据最常用的分类标准，电容器可分为两种基本构造类型。它们是静电（膜/陶瓷）以及电解（钽、铝)电容器。通常，静电电容器呈现非常低的ESR和阻抗，属于非极性器件。这意味着它们可以大批量组装并高速插入印刷电路板。电解电容器通常提供更高的电容值，但不是极性产品，因此必须以正确方向安装到板上。表1概括了这些电容器的基本特征。

但是，每一种电容器都有其独特的特征，即使在某一种电容器中，是否适合于给定应用还将取决于特定的电介质。例如，钽电容器没有磨损机构，特别适用于需要长寿命和高稳度的应用。运行温度每降低10℃，铝电容器的工作寿命将增加一倍，但是重要的是使它们远离洗涤剂。陶瓷电容器不需要浪涌电流抑制，但是需要针对高额定电压的器件实施高温点屏蔽。膜/箔电容器特别适用于高电流应用。金属化电容器拥有自我恢复功能，可以改善可靠性。

图4对拥有相似电容值的钽电容器和陶瓷电容器的ESR和Z值进行了比较。

电容值随温度的变化而变化。这就是所谓的电容温度系数（TCC）。图5展示了钽和X7R陶瓷材料的比较。图6展示了钽和Y5V陶瓷的比较。在要求全温度范围内保持最低电容值的电路中，设计时必须考虑TCC。

对于陶瓷电容器来说，电容器的电压也影响电容值（电介质上的电场强度改变材料的有效电介质常数K）。正如从图6中看到的那样，这对于稳定的电介质（如NP0）或施加电压低于额定电压时，这不是一个问题。这种特性被称为电容电压系数(VCC)。图7显示了不同类型陶瓷材料的电容电压系数。