基于钽电容和氧化铌电容提高汽车系统性能

基于钽电容和氧化铌电容提高汽车系统性能

各种各样的电子系统被装备到现代汽车中，其中有许多系统直接影响到汽车的可靠性和乘客的安全性。反之，这也意味着关键电子系统中使用的电子元件必须非常可靠。电容被广泛应用于许多汽车电子系统，其质量、稳定性和可靠性必须经过汽车制造商的严格把关。

如果将钽电容和氧化铌电容与其它电容技术相比，我们可以发现许多显著优势。

与铝电解电容相比

与铝电解电容不同的是，钽电容和氧化铌电容不存在干涸效应，因此具有更稳定的电气参数(电容、ESR、漏电流等)，这意味着它们的性能和功能可以在长时间内保持一致和可靠。

与多层陶瓷芯片电容相比

钽电容和氧化铌电容不存在任何压电效应，压电效应会在多层陶瓷电容(MLCC)中产生讨厌的额外噪声。钽和氧化铌器件的另一个优势是在一定温度和直流偏置范围内具有更好的参数稳定性。宽频耦合要求高端电容在一定温度和直流电压范围内保持稳定。由于没有压电效应，电容值随温度变化较小，且与电压无关，钽或氧化铌电容比MLCC更适合用于耦合电路。

此外，AVX公司的钽电容和氧化铌(OxiCap)电容是根据汽车质量标准TS16949生产的，各系列电容完全满足AEC-Q200技术要求，是汽车应用的理想之选。

AVX钽电容和氧化铌电容应用指南

为了在设计中能正确使用钽电容和氧化铌电容，我们必须充分考虑目标电路和设备的所有重要的电气和物理条件。输入参数通常需要提供电容值，这个值可以根据电源线滤波比、最大压降等计算出来。正确选择电容需要考虑的另一个重要参数是直流工作电压。推荐电压降额使用这个一般规则很重要，对所有钽电容来说降低幅度为50%，氧化铌电容是20%，这意味着钽电容的工作电压最高为额定电压Vr的一半，氧化铌电容的工作电压为其额定电压的80%。遵守这个规则很重要，因为这样做可以保护器件免受意外电流浪涌和过压的伤害，而这种情况在汽车电路中很可能发生。然而，用于主输出电路的钽电容降额电压与汽车电池线有很好的隔离，在过压时具有保护作用，并具有缓慢加电模式(软启动电路)，比如低功率DC/DC转换器的输出。在这种情况下，允许使用低至20%的降额幅度。工作温度范围告诉我们选择电容时主要考虑最大温度值，但也要认识到，当高温超过85℃时我们必须使用额外的电压温度降额值。在实际温度下电容允许的最大直流电压被称为类别电压(额定电压只是在室温25℃情况时的其中一种类别电压值)。

如果正常工作温度超过85℃，那么工作降额与温度降额应结合起来考虑。例如，在可能出现浪涌和电压尖峰的电路中最高工作温度达125℃的钽电容：工作降额为50%，即电压最高为额定电压Vr的50%，125℃时(最坏情况下)的温度降额为33%，即电压最大值是Vr的66%。两者结合后为0.5×0.66=0.33，这意味着钽电容可以在最大为额定电压Vr的33%的电压下使用(针对最差工作条件)。

图1：胎压监控系统模块图。

要想避免电容出现上电或启动电流过载，了解经过电容的最大工作浪涌电流(单峰)很重要。这个电流可以根据电源内部电压以及与待测电容串连的所有器件的内部电阻(包括有效串联电阻ESR)计算出来。工作最大浪涌电流应小于电容的最大允许浪涌电流Ipmax=(1.1×Vr)/(0.45+ESR)。在工作电流太高的情况下可以采取更大的降额幅度，因此选择的额定电压越高，电容的最大浪涌电流Ipmax也越大(见上图)。

电容的最大纹波电流是流过电容的最大交流电流值，它有两个主要的参数：有效值(rms, ACIrms, Ir)和频率f。纹波电流受限于电容ESR上的电流产生的最大功耗Pd。电容体积越大，允许的功耗也越大，每种体积的功耗是常数。ESR越小，功耗就越小，允许的纹波电容也就越大。参见一般公式Pd=ESR×Ir×Ir。对有较高要求的纹波电流来说，低ESR、大体积、可能多阳极的结构是最佳选择。

以上应用规则的结合可以帮助设计师选定具有特定体积的合适电容，或将体积放在标准的第一要素，然后在设计过程中根据其它优先级列表进行适当调整。有可能出现只有一个电容不能满足应用需求、因此需要同时使用多个器件的情况，此时基本上只推荐相同的电容进行整合。并行连接可以增加电容值(乘法)和降低ESR(除法)，而串行连接可以增加总的允许直流电压值(额定电压相乘)，但会降低电容容量(除法)和增加ESR(乘法)。对于串行连接而言，推荐用分压器并行连接电容，此时电阻值应根据10倍的电容直流漏电流(类别值)进行计算。

汽车应用中的钽电容

标准可靠性电容，比如AVX的TAJ/TPS(1%/1000小时)，非常适合一般汽车系统使用。TAJ器件提供标准的ESR性能：需要更低ESR值的设计师应选用TPS器件。这些电容容量最高可达2200μF，最高额定电压为50V，工作温度范围为-55℃至125℃。低ESR的TPS系列电容非常适合要求能量脉冲的应用使用，以便电容支持负载处的电源。图A显示了用于设置座位位置的步进电机的桥接电路。电容放在电机旁边，有助于向电机提供电流脉冲。

图2：汽车汽油发动机单元。

开关模式电源(SMPS)电路在主输出电容位置也要求使用低ESR电容。汽车中使用的几乎所有电子部件都适应电源输入端的DC/DC电源，而且大部分是SMPS，这要归功于它们的高能效值。SMPS中使用的TPS或TPM(多阳极结构)电容有助于提高效率和降低(欠载时的)输出纹波电压，因为它们具有较低的ESR。

AVX公司开发的TRJ专业钽电容系列产品适合在电气和机械压力下要求有较高性能表现的严酷环境下使用，经过一系列技术改造进一步增强了电容结构，使得这种电容在这些环境下具有更强的鲁棒性能。

在标准可靠性的TAJ/TPS和TRJ产品之间存在几点主要区别，正是这些不同之处增强了可靠性(0.5%/1000小时)：使用了经试验证明效果良好的钽粉，能确保电气性能的长期可靠性。在设计和制造过程中遵循保守的设计规则。采取了非常严格的质量控制和额外测试措施。100%严格的浪涌电流筛选以及扩展电气测试和加速烧入工艺的使用使得这些电容达到并验证了高鲁棒性。漏电流减少到标准钽规格的75%，这在胎压监视系统等电池应用中具有很大的优势。

TRJ系列电容的增强性能对汽车电子设备的高可靠性电路来说极具价值，这些电路包括ABS和ESP系统、气囊控制系统或通信总线等(图C)。今天的汽车使用越来越多的电子装置以便解决空间受限问题，并消除互连电缆造成的重量。使用具有较少线缆并且在任何工作条件下都可靠的通信总线是一种显而易见的方案。图C给出了TRJ电容在总线驱动器中的使用情况，由于能够很好地支持发送放大器，TRJ电容能加快数字响应速度。

图3：喷射与燃油效率控制单元。

标准钽电容技术的工作温度范围通常是-55℃至+125℃，因而限制了这些电容只能用于车内娱乐环境和其它较低温度的应用。一些制造商专门推出车用系列产品，将钽电容扩展应用到了发动机舱系统(图2，图3)，这种环境要求连续工作温度最高为150℃。然而，汽车行业要求元件的最高工作温度能达到175℃。AVX的THJ系列电容能够满足这个要求，这种电容的工作范围是-55℃至+175℃。类别电压，即考虑了实际工作温度后的最大工作电压，是175℃时额定电压的一半。THJ系列钽电容还能够提供更强的可靠性(故障率为0.5%/1000小时)，并且在125℃时的类别电压(额定电压的78%)也比标准器件(一般仅为额定电压Vr的66%)高。THJ电容最大容量为150μF，最高额定电压为50V。

汽车应用中的OxiCap氧化铌电容

NOJ和NOS低ESR值氧化铌电容使用氧化铌粉作为阳极的主要材料。与钽或铌粉等纯金属材料相比，氧化铌具有高得多的点火能量(200次)和低得多的燃烧速率。这个特性意味着氧化铌电容不会高至类别电压。如果电路处于电压尖峰或大电流冲击等过载状态，那么另一种典型的故障模式就是高阻(通常是20到200 kΩ)。这种过载将导致漏电流增加和电容值减小。而氧化铌电容即使受到浪涌冲击也能继续提供全部的容量和功能，其代价是功耗有所增加。

NOJ氧化铌系列电容具有非常高的可靠性(故障率为0.5%/1000小时)，而低ESR值的NOS器件具有更低的失效率(0.2%/1000小时)，甚至比钽电容更可靠。这些电容适合轨电压最高为8V的应用，如车内娱乐系统、座位调整模块、气囊控制等。另外，氧化铌器件可以提供无噪声性能，并且具有非常好的温度稳定性，这是高品质声音的首选特性，对汽车音响设备来说也是一大优势。

我们可以在音频电路的信号路径中的两个关键位置使用氧化铌电容。首先是输入耦合电容，该处通常连接着一个音频级的低阻抗输出和另一个音频级的高阻抗输入。一般此处使用低至1～10μF的电容。第二个地方是输出耦合电容，该处通常是将放大器的低阻抗输出通过隔直电容连接到输出电声变换器，如耳机或扬声器。这种应用要求使用大得多的电容：数百到数千μF。

总之，钽电容和氧化铌电容非常适合所有现代汽车电子系统使用，不管这些系统的要求是更高的可靠性、更宽的温度范围还是更低的漏电流。