Автомобильная промышленность все больше зависит от электроники, при этом количество таких систем, как блоки управления двигателем (ECU), информационно-развлекательные устройства и усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS), всё увеличивается вместе с их функциональностью и сложностью. Автомобильная электроника полагается на высокопроизводительные компоненты, обеспечивающие надежную работу в течение длительного периода времени и сложных условий. Кроме естественно полупроводников, важную роль в обеспечении надежности играют конденсаторы, применяемые для фильтрации сигналов и накопления энергиии.

В зависимости от того, где работает автомобиль, могут различаться требования к температурному диапазону, устойчивости к ударам и вибрации, влажности, переходным процессам, электростатическим разрядам и другим воздействиям. Но во всех случаях будут нужны компоненты, отвечающие требованиям стандарта AEC-Q200.

Необходимость выполнения требований, содержащихся в этом регламенте, означает, что конструкторы должны тщательно выбирать детали для внедряемых узлов и устройств из множества вариантов и типов, доступных на рынке. Цель состоит в том, чтобы решить проблемы обеспечения производительности и долговечности. Это реально может быть сложной и трудоемкой задачей, в зависимости от количества и разнообразия требуемых компонентов.

Автомобильные конденсаторы

Для типовых устройств, основанных на компонентах с номинальным напряжением до 10 В или менее и емкостью до 100 мкФ, многие конденсаторные технологии обеспечивают в значительной степени схожие рабочие и эксплуатационные характеристики. Это немного сбивает с толку, так как совсем не означает, что элементы этих групп одинаково подходят для каждого случая. Поэтому в процессе выбора необходимо учитывать незначительные различия параметров, такие как изменение емкости в зависимости от приложенного напряжения (коэффициент напряжения) и температуры (температурный коэффициент), а также изменения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) в зависимости от частоты.

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) доступны в версиях с высокой емкостью напряжения (CV), обеспечивая высокую емкость в небольшом корпусе. Некоторые танталовые конденсаторы с твердым электролитом, а также танталовые полимерные конденсаторы имеют те же размеры, что и версии MLCC. С другой стороны, элементы из оксида ниобия имеют несколько меньшие значения емкости на единицу объема. MLCC с высоким CV доступны с двумя типами диэлектрика:

• X5R, обеспечивающий наивысшие значения емкости до 100 мкФ и являющийся базой конструкции элементов MLCC с высоким показателем CV,
• X7R, который может создавать емкости только до 22 мкФ, но обладает отличной температурной стабильностью.

Например конденсатор MLCC 12103C106-K4T4A X7R имеет емкость 10 мкФ и номинальное напряжение 25 В. У него нелинейное изменение емкости от температуры ±15 % в диапазоне от -55 до +125 °С. Его емкость также зависит от напряжения и частоты. Это не проблема в схемах, где изменение емкости из-за приложенного напряжения не влияет на работу.

Коэффициенты напряжения и температуры

Несмотря на в целом высокую стабильность, значение емкости MLCC для версии с высоким CV, к сожалению, немного уменьшается с увеличением напряжения смещения. Танталовые, оксидно-ниобиевые и полимерные конденсаторы имеют плоские характеристики коэффициента напряжения. Кроме того, в высоковольтных MLCC наблюдается падение емкости при высоких и низких температурах, а танталовые, оксидно-ниобиевые и полимерные конденсаторы обладают минимальными температурными коэффициентами.

ESR против частоты

Кривые зависимости сопротивления от частоты также могут иметь значение. MLCC с высоким CV имеют резкий резонанс и низкое ESR, а оксиды тантала и ниобия имеют широкополосные кривые сопротивления. ESR для варианта оксида тантала-ниобия увеличивается при низких температурах. Полимерные конденсаторы, напротив, имеют широкополосную характеристику сопротивления с более низкими значениями ESR по сравнению с танталовыми и ниобиевыми. Кроме того, ESR полимеров остается малым при низких температурах, а у тантала и ниобия увеличивается.

Конструкторы блоков управления двигателем (ЭБУ) могут обратиться к танталовым конденсаторам серии F97. Они соответствуют стандарту AEC-Q200 и доступны с номинальным напряжением от 6,3 до 35 В, работают в диапазоне температур от -55 до 125 °C с емкостью до 150 мкФ. Например, F971A107MCC является типичным представителем этой группы продуктов на 100 мкФ и 10 вольт.

Полимерные конденсаторы для авто

Полимерные конденсаторы работают в диапазоне температур от -55 до +125°С, аналогично танталовым, но выпускаются на номинальное напряжение до 50 В, что значительно выше по сравнению с 35 В у танталовых. Серия TCQ, сертифицированная AEC-Q200, имеет емкость до 470 мкФ и номинальный срок службы 2000 часов при температуре 125 °C, что вдвое превышает спецификацию. Автомобильные устройства в этом случае включают электронику под капотом, информационно-развлекательные системы, элементы управления в кабине и системы комфорта. Примером подходящего для таких целей компонента является TCQD337M004R0025E на 330 мкФ и 4 В.

Ниобий для стендовых схем

Оксидно-ниобиевые конденсаторы, такие как серия OxiCap NOJ, имеют значения емкости до 1000 мкФ и номинальное напряжение до 10 В в диапазоне температур от -55 до +105 °С. Они предназначены для использования там, где напряжение питания не превышает 7 В, таких как модули регулировки сидений, блоки управления подушками безопасности и информационно-развлекательные системы. Особенностью этих элементов является высокая безопасность и негорючесть. Они также очень надежны с частотой отказов 0,5% на 1000 часов работы при 85°C. Примером может служить NOJC107M004RWJ на 100 мкФ и 4 В.

Высоковольтные MLCC

В дополнение к версиям с высоким CV, MLCC доступны в версиях для высокого напряжения до 5000 В. Соответствует требованиям AEC-Q200, например, AVX 630V 1825CC154KAT2A с емкостью 0,15 мкФ для использования в ограничителях перенапряжения и резонансных преобразователях мощности. Эти высоковольтные версии имеют низкие значения ESR на высоких частотах сигнала.

Суперконденсаторы

Суперконденсаторы используются в автосхемах для обеспечения резервного питания, продления срока службы аккумуляторов и обеспечения высокой мощности, необходимой для запуска двигателей. Серия таких элементов AVX SCC доступна в диапазоне емкости от 1 до 3000 Ф с номинальным напряжением 2,7 В и 3,0 В. Например элемент SCCV40E506SRB рассчитан на 50 Ф при 3 В и имеет ESR менее 20 мОм, что является результатом использования ацетонитрила (ACN) в качестве электролита. Примерно на каждые 10 °C понижения температуры или снижение номинала источника питания на 0,2 В срок службы этих компонентов удваивается. Рыночное предложение также включает серию SCC LE, которая характеризуется еще более низкими значениями ESR.

И в завершении отметим, что мы не делаем никому рекламы, поэтому не указываем конкретного производителя, а лишь информируем об имеющихся на рынке элементах и их характеристиках.