來源：Digi-Key
作者：Art Pini
(相關(guān)資料圖)
雖然車輛中的電子元器件數(shù)量正在迅速增加，但行業(yè)的焦點(diǎn)往往是傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 (ECU)、導(dǎo)航、艙內(nèi)連接、音響以及高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)。隨著電動(dòng)汽車 (EV) 成為主流，能夠承受 800 伏以上電壓并滿足嚴(yán)格環(huán)境要求的高電壓、高可靠性電子元器件已變得至關(guān)重要。這種需求直接落實(shí)到電容器層面。
除了符合 AEC-Q200 等抗應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)外，汽車設(shè)計(jì)人員在選擇電容器時(shí)必須根據(jù)具體應(yīng)用考慮許多物理和電氣特性。反饋環(huán)路需要采用具有緊公差且溫度系數(shù)穩(wěn)定的電容器。在高頻應(yīng)用中，必須具有低等效串聯(lián)電感 (ESL)。在電力應(yīng)用中，如果預(yù)期有高紋波電流，就需要采用低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 元件。對于電動(dòng)車來說，最大限度地減小尺寸和重量也非常重要。
為此，可采用市面上獲得安全認(rèn)證的表面貼裝多層陶瓷電容器 (MLCC)，這些器件符合包括 AEC-Q200 在內(nèi)的多種國際安全規(guī)范和認(rèn)證。
本文介紹 MLCC 電容器的結(jié)構(gòu)以及電動(dòng)汽車 MLCC 的要求。然后，說明固有尺寸和容積效率以及 FlexiCap 端接和高耐壓等特點(diǎn)，如何幫助 MLCC 滿足物理和電氣要求。本文以 Knowles Syfer 的產(chǎn)品為例進(jìn)行說明。
MLCC 的結(jié)構(gòu)
MLCC 是表面貼裝電容器，由多個(gè)獨(dú)立的電容元件垂直堆疊而成，并以端部端接的方式并聯(lián)。因此這些電容稱為多層電容器（圖 1）。
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圖 1：MLCC 結(jié)構(gòu)橫截面圖顯示了在同一個(gè)封裝中堆疊了多個(gè)電容器層。（圖片來源：Knowles Syfer）
為了構(gòu)造 MLCC，陶瓷電介質(zhì)層通過使用篩選工藝形成，并與極性交替的電極交替使用。這樣，就可構(gòu)建許多層。通過這種多個(gè)正 (+) 和負(fù) (-) 電極對的并聯(lián)，可在一個(gè)相對較小的封裝中構(gòu)建大電容值。
其中，電極采用金屬材質(zhì)，具有高導(dǎo)電性。在制造過程中，要求電極不具有化學(xué)反應(yīng)性并具有高熔點(diǎn)。為此，Knowles Syfer MLCC 電容器使用銀和鈀合金作為電極。
電介質(zhì)還必須是良好的絕緣體。相對電容率或介電常數(shù)(er) 決定了給定的元件幾何形狀下可達(dá)到的電容。例如，Knowles Syfer 增強(qiáng)型安全認(rèn)證表面貼裝 MLCC 具有兩類陶瓷電介質(zhì)。第一類是 C0G/NP0，這是一種 EIA 1 類電介質(zhì)，相對于 er 為 0 的真空電介質(zhì)，其相對介電常數(shù)在 20 至 100 之間。第二種是 X7R，這是一種 EIA 2 類電介質(zhì)，其 er 在 2000 和 3000 之間。作為比較，云母的 er 是 5.4，塑料膜的則是3。因此，電容值已知時(shí)，陶瓷電容器會(huì)更小。電介質(zhì)的選擇會(huì)影響到電容器在溫度、應(yīng)用電壓和時(shí)間方面的穩(wěn)定性。一般來說，er 越高，電容值越不穩(wěn)定。
EIA 用字母數(shù)字分類法對 2 類電介質(zhì)進(jìn)行分類。第一個(gè)字母指定最低溫度，中間數(shù)字表示最高溫度，最后一個(gè)字母描述電容公差。X7R 電介質(zhì)的解碼為：最低溫度為 -55°C，最高溫度為 +125°C，電容公差為 ±15%。像 C0G 這樣的 1 類電介質(zhì)也有類似的編碼。第一個(gè)字符是一個(gè)字母，給出了電容隨溫度變化的有效數(shù)字，單位是每百萬分之一攝氏度 (ppm/℃)。對于 C0G 電介質(zhì)，C 表示零 ppm/°C 有效數(shù)字（溫度穩(wěn)定性）。第二個(gè)數(shù)字是溫度穩(wěn)定性的乘數(shù)。0 表示乘數(shù)為 10-1。最后一個(gè)字母 G，定義了電容誤差為 ±30ppm。
1 類電介質(zhì)具有更高的精度和穩(wěn)定性。其損耗也較低。2 類電介質(zhì)的穩(wěn)定性較差，但容積效率更高，從而可實(shí)現(xiàn)更大的單位體積電容。因此，高電容值 MLCC 電容器通常使用 2 類電介質(zhì)。通過增強(qiáng)安全認(rèn)證的 Knowles Syfer MLCC 根據(jù)所選電介質(zhì)的不同可提供 4.7 pF 至 56 nF 的高電容范圍，額定電壓高至 305 VAC。
MLCC 的電容與電極的重疊面積以及陶瓷電介質(zhì)的 er 成正比。電容與電介質(zhì)的厚度成反比，而額定電壓則與之成正比。因此，需要在電容、額定電壓和電容器的物理尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。
用于電動(dòng)車的 MLCC
MLCC 具有相對較低的 ESL 和 ESR，使其更適合高頻應(yīng)用，而且還有多種電介質(zhì)可供選擇，所以其電容值、容差范圍可以根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。這些器件是表面貼裝元件，都采用了體積効率非常高的封裝，從而有助于解決電動(dòng)汽車的空間受限問題。相比鋁電解電容和鉭電容，這些電容器還具有很強(qiáng)的抗電壓瞬變能力。
雖然 MLCC 已廣泛使用，但如果受到振動(dòng)或沖擊造成的機(jī)械應(yīng)力，可能會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象。裂縫會(huì)使器件性能因濕潮濕而退化。Knowles Syfer 的設(shè)計(jì)人員通過采用 FlexiCap 端接方式解決了這一問題，因?yàn)樵摱私臃绞綄υ膹澢懈叩娜萑潭龋▓D 2）。
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圖 2：FlexiCap 設(shè)計(jì)在通常的端蓋屏障下使用專有的柔性環(huán)氧樹脂聚合物端接基底，可以在更大程度上承受電路板彎曲造成的損害。（圖片來源：Knowles Syfer）
FlexiCap 中使用的柔性端接基底是涂覆在電極上的。這種材料是一種含銀的環(huán)氧樹脂聚合物，使用傳統(tǒng)的端接技術(shù)，然后進(jìn)行熱固化。這是一種柔性材料，可以吸收電路板和安裝的 MLCC 之間的一些機(jī)械應(yīng)變。
因此，與燒結(jié)端接器件相比，用 FlexiCap 端接的器件能承受更大的機(jī)械應(yīng)變。FlexiCap 還能提供增強(qiáng)型保護(hù)，可在發(fā)生快速溫度變化的應(yīng)用中防止發(fā)生機(jī)械開裂。對于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)者來說，其結(jié)果是在處理在制電路板過程中，可耐受更大的彎曲，從而提高產(chǎn)出率，減少現(xiàn)場故障。
對于電動(dòng)汽車來說，重要的是 Knowles Syfer 的安全認(rèn)證電容器具有 AEC-Q200 資質(zhì)。如果零件通過了嚴(yán)格的應(yīng)力測試，則可認(rèn)為這些零件具有“AEC-Q200”認(rèn)證，具體測試包括溫度、熱沖擊、耐濕性、尺寸公差、耐溶劑性、機(jī)械沖擊、振動(dòng)、靜電放電、可焊性和電路板彎曲等測試。
在電氣方面，獲得安全認(rèn)證的產(chǎn)品線具有 4 kVDC 和 3 kVRMS 的高絕緣耐壓 (DWV) 能力。這些都是電動(dòng)車 800 V 充電系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，需要廣泛的測試和安全裕量。
用于電動(dòng)汽車的 MLCC 實(shí)例
Knowles Syfer 提供的增強(qiáng)型安全認(rèn)證產(chǎn)品線提供各種不同的電容值選擇，都采用 Flexicap 端接并擁有 AEC-Q200 資質(zhì)，使其特別適合電動(dòng)車應(yīng)用。例如，1808JA250101JKTSYX 是一款 100 pF C0G/NP0 電容器，其 250 VAC 額定電壓版本適合 Y2 類（線對地）應(yīng)用，305 VAC 版本適合 X1 類（線對線）應(yīng)用，公差為 ±5%。該電容器采用大小為 0.195 x 0.079 in. 或 4.95 x 2.00 mm 的 1808 封裝（圖 3）。
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圖 3：1808JA250101JKTSYX MLCC 尺寸（左）及推薦采用的焊盤布局（右）。（圖片來源：Knowles Syfer）
典型的 X7R 電容器是 Knowles Syfer 1812Y2K00103KST，這是一款 10000 pF ±10% 2 kV 器件，采用 1812 封裝，尺寸為 4.5 x 3.2 x 2.5 mm。1808JA250101JKTSYX 和 1812Y2K00103KST 電容器的額定溫度范圍均為 -55°C 至 +125°C。其外殼尺寸包括 1808、1812、2211、2215 和 2220 規(guī)格，具體取決于所使用的介質(zhì)、電容值和額定電壓。
其他產(chǎn)品如 Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X，這是一款 100 pF、250 V AC（X2 級）、1 kV DC C0G/NP0 電容器，其容差為 ±5%。2220YA250102KXTB16 是一款 1000 pF ±10% 250 V X7R 電容器。
請注意，安裝和焊接 FlexiCap 端接電容器的制造要求與標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)端接 MLCC 相同，因此不需要特殊處理。此外，再次參考圖 3，Knowle 貼片電容器可以使用符合 IPC-7351《表面貼裝設(shè)計(jì)和焊盤布局標(biāo)準(zhǔn)的通用要求》的焊盤布局進(jìn)行安裝。此外，也有經(jīng)證實(shí)可以減少機(jī)械應(yīng)力的其他因素，如使焊盤寬度小于電容器寬度。
結(jié)束語
Knowles Syfer 通過 AEC-Q200 認(rèn)證的 MLCC 非常適用于電動(dòng)汽車應(yīng)用，特別是 800 V 電池系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，通過提高測試電壓和安全系數(shù)來應(yīng)對浪涌和瞬態(tài)情況是必不可少的。FlexiCap 端接使電容器能夠應(yīng)對更大的機(jī)械應(yīng)力。就這一事實(shí)和滿足 AEC-Q200 要求而言，這些器件為設(shè)計(jì)人員帶來了一個(gè)能力、穩(wěn)定性和安全認(rèn)證的獨(dú)特組合。
關(guān)鍵詞：
