通过精心选择并使用无源器件来确保汽车系统的可靠性

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

汽车电子产品需求不断增长，应用范围广泛，包括引擎盖下电子控制单元 (ECU)、信息娱乐系统、高级驾驶辅助系统 (ADAS) 等等。汽车电子系统依赖一系列高性能元件来确保可靠性和稳健性，包括用于滤波和储能的电容器、用于电路保护的压敏电阻、用于紧凑型 ECU 的连接器以及用于支持连接的射频和微波无源元件和天线。

电子器件在车辆中的位置不同，对温度、冲击和振动、湿度、瞬态电压、静电放电 (ESD) 和其他环境因素的要求也会不同。在任何情况下，无源器件都需要符合 AEC-Q200 要求。

设计人员需要从一系列元器件中精心选择，才能可靠地满足一般汽车设计的挑战，特别要达到 AEC-Q200 的性能标准。这可能费时、费力，具体取决于所涉及组件的数量和种类。

为了确保他们能够应对先进汽车电子系统带来的挑战，同时最大限度地缩短产品上市所需的时间，找一个产品选择范围广且通过汽车行业认证的单一成熟供货来源可能是设计人员的最佳选择。这些产品包括电容器、电路保护装置、连接器以及射频和微波无源元件和天线。

本文简要比较了可供设计人员使用的几种电容器技术的一些工作特性及其应用的适用性，包括 [Kyocera AVX]示例器件。然后介绍了用于[汽车解决方案]的电路保护装置、连接器、射频和微波无源元件以及天线的例子。

汽车电容器

对于常见的应用需求，如 10 伏 (V) 或更低电压和最高 100 微法 (μF) 的电容，有多种电容技术在能力上基本差不多（图 1）。这并不意味着它们同样适合于每一种应用。设计人员在选择时必须考虑的是其性能能力的微妙之处。一些重要的考虑因素包括电容随应用电压的变化（电压系数）、电容随温度的变化（温度系数）以及等效串联电阻 (ESR) 随频率的变化（阻抗曲线）。

图 1：从额定电压和电容的角度来看，各种电容器技术是相似的。（图片来源：Kyocera AVX）

高电容-电压 (CV) 级多层陶瓷电容器 (MLCC) 可以将大量电容装入一个小封装中。一些固体钽和聚合物钽电容器采用与高 CV MLCC 共同的封装。氧化铌电容器的额定体积比电容略低。高 CV MLCC 有两种电介质可选：

• X5R 电介质可以在高 CV MLCC 中产生最高的额定电容，最高可达 100μF
• X7R MLCC 的限制最大容量通常约为 22μF，但具有出色的温度稳定性

例如，[12103C106K4T4A]X7R MLCC 的额定值为 10μF 和 25 伏。其电容在 -55 至 +125°C 期间的非线性温度变化在 ±15% 以内。X7R 的电容也随电压和频率的变化而变化。X7R 电介质 MLCC 可以特别适合用于接受因施加电压引起已知电容变化的应用。

电压和温度系数

虽然它们相对稳定，但高 CV MLCC 的电容会随着偏置电压向额定电压 (RV) 增加而减少。钽、氧化铌和聚合物电容器具有平坦的电压系数。此外，高 CV MLCC 在高温和低温下电容都会下降，而钽、氧化铌和聚合物电容的温度系数最小（图 2）。

图 2：与 MLCC 相比，钽电容器具有平坦的电压系数（左边两个图）和最小的温度系数（右图）。（图片来源：Kyocera AVX）

ESR 与频率

阻抗曲线也可能是重要的。高 CV MLCC 的谐振尖税和 ESR 低，而钽和氧化铌电容器具有宽带阻抗曲线（图 3）。钽和氧化铌器件的 ESR 在低温下都会增加。聚合物电容器具有宽带阻抗特性，与钽和铌氧化物相比，其 ESR 较低。此外，聚合物器件的 ESR 在低温下仍然很低，而钽和氧化铌电容器的 ESR 则会上升。

图 3：钽电容器有一个宽带阻抗曲线（橙色），而高 CV MLCC 有较低的 ESR（蓝色）。（图片来源：Kyocera AVX）

用于 ECU 的钽电容器

汽车 ECU 的设计者可以使用 Kyocera AVX 符合 AEC-Q200 标准的 F97 系列钽电容器，其额定电压为 6.3 至 35 伏，工作温度范围为 -55 至 125℃，电容最高 150 μF。例如，[F971A107MCC]的额定值是 100 μF 和 10 伏。

用于车身电子的聚合物电容器

与钽电容器一样，聚合物电容器的工作温度范围为 -55 至 +125°C，但聚合物可提供高至 50 伏的额定电压，而钽器件的额定电压为 35 伏。通过 AEC-Q200 认证的 TCQ 系列聚合物电容器的电容高达 470 μF，在 125°C 时的额定寿命为 2000 小时，是 AEC-Q200 规范要求的两倍。这些电容器在汽车上的应用包括车身电子设备、信息娱乐系统、座舱控制和舒适系统，像 [TCQD337M004R0025E] 这样额定值为 330 µF 和 4 伏的器件对这些应用有大有裨益。

用于客舱系统的氧化铌电容器

像 OxiCap NOJ 系列氧化铌电容器的电容值高达 1000μF，额定电压也达 10 伏。这些电容器设计用于工作电压为 7 伏的应用，如座椅位置模块、安全气囊控制和信息娱乐系统。其工作温度范围为 -55 至 +105℃。例如，[NOJC107M004RWJ]的额定值是 100 μF 和 4 伏。氧化铌是一种本安型安全技术，具有高抗性和非燃烧故障模式。它们的可靠性也很高，在 85°C 下每工作 1000 小时的故障率为 0.5%。

高电压 MLCC

除了高 CV 设计外，MLCC 的额定电压可高达 5000 伏。Kyocera AVX 的 630 伏、0.15μF [1825CC154KAT2A] 通过了 AEC-Q200 认证，设计用于高频汽车电源转换器的吸收电路和谐振器以及高压耦合或直流阻断。这些高压芯片设计在高频率下具有低 ESR。

超级电容器

超级电容器用于汽车系统的备用电源，能够延长电池寿命，并提供瞬时电源脉冲。AVX 的 SCC 系列的额定电压为 2.7 伏和 3.0 伏，其电容范围为 1 至 3000 法拉 (F)。[SCCV40E506SRB] 的额定电压为 50 F 和 3 伏，最大 ESR 为 20 毫欧 (mΩ) （图 4）。其乙腈 (ACN) 电解质技术带来了低 ESR 特性。大约每降低 10°C 或 0.2 伏，ACN 器件的预期寿命就会增加一倍，因此适合长寿命应用。此外还提供专门优化的 SCC LE 系列零件，具有更低的 ESR。

图 4：像 SCCV40E506SRB 这样的超级电容器可以提供备用电力，延长电池寿命，或提供瞬时电源脉冲。（图片来源：Kyocera AVX）

ESD 保护

大多数汽车系统都需要 ESD 保护。Kyocera AVX 的 TransGuard 低钳位型多层压敏电阻通过了 AEC-Q200 认证，设计用于需要较低钳位-工作电压比的场合。它们在单个元件中提供双向 ESD 过压保护以及电磁干扰和射频干扰 (EMI/RFI) 衰减，适用于 ECU、信息娱乐系统和车内显示器等应用。[VLAS080516C350RP]的工作电压为 16 伏直流电 (V 直流 ) 或 11 伏交流电 (VAC) ，击穿电压为 19.5 伏 +12%，钳位电压为 35 伏，电容为 900 皮法 (pF)（图 5）。

图 5：VLAS080516C350RP 是一种低钳位型多层压敏电阻，可提供双向 ESD 保护和 EMI/RFI 衰减。（图片来源：Kyocera AVX）

Kyocera AVX ASPGuard 系列是通过 AEC-Q200 认证的低电容器件，旨在用于射频系统、传感器、高速数据线以及其他有电容敏感电路需要进行高能保护的应用。ASPGuard ESD 保护器件具有低漏电电流，以及 -55 至 +150 ℃ 的工作温度范围和 18 至 70 V直流的工作电压。例如，[VCAS04AP701R5YATWA] 的额定电压为 70 V 直流 ，电容为 1.55 ±0.13 pF，漏电电流为 0.1 微安 (μA)。

用于 ECU 的卡边缘连接器

高密度汽车 ECU 需要更高密度的互连解决方案，如图 6 所示的 12 针位 [009159012651916]卡边缘连接器。双排 9159-650 连接器系列有 4 至 12 个针位，并具有交错的接触条，使之针位数是类似尺寸的单排设计的两倍。这些卡边缘连接器提供有极性和无极性两种版本。有极性连接器要求印刷电路板提供一个键，以防止误插入。这些连接器设计用于 1.6 毫米 (mm) 厚的印刷电路板。它们采用镀金触头，当与印刷电路板上的镀金焊盘配接时，可实现高水平的可靠性和信号完整性，并能承载 2.5 A 的电流。

图 6：009159012651916 12 针位卡边缘连接器可支持高密度 ECU 连接需求。（图片来源：Kyocera AVX）

车辆连接

越来越多的车辆应用需要射频和微波定向耦合器、电感器和天线，包括定位系统、无钥匙进入和车辆对一切 (V2X) 连接。定向耦合器是许多射频信号链的一个重要组成部分。用来对射频信号进行采样，在信号和采样端口之间具有高隔离度和低插入损耗，可支持分析、测量和处理。例如，[CP0603A0836ANTR]是一个射频定向耦合器，工作在 824 至 849 兆赫 (MHz) 频段，具有 20.0 分贝 (dB) 耦合、0.25 dB 最大插入损耗、28 dB 回波损耗和 22 dB 指向性。

射频天线调谐在高性能汽车射频应用中非常重要，如 ADAS、V2X 通信和舱内连接。[L0201R39AHSTR500] 射频调谐电感器在 450 兆赫时具有 0.39 (±0.05) 毫微安 (nH) 的固定电感，额定电流为 550 mA，最大电阻为 100 毫欧 (mΩ)。它采用坚固的薄膜多层结构，支持自动装配。

紧凑而高效的天线是射频系统的一个重要组成部分。AEC-Q200 并不直接适用于天线，但 Kyocera AVX 严格按照 AEC-Q200 的程序和要求测试其汽车天线。因此像 [A1001013] Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 天线这样的 A 系列天线可推荐用于汽车应用（图 7）。

图 7：A1001013 汽车级天线旨在用于 Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 应用。（图片来源：Kyocera AVX）

结语

随着自主驾驶和联网车辆数量的增多，对 AEC-Q200 级无源元件的需求也大大增多，但此类元器件种类繁多、选择多样，这给设计者带来了不小的挑战，设计者只精心选择才能确保车辆高效、稳定、可靠地行驶。如果能找到一个成熟、可靠的合作伙伴来提供汽车级电容器、电路保护装置、连接器、射频和微波无源元件和天线，那么就会大大提升这一选择过程的速度和效率。