藝術(shù)皮尼

　　雖然車輛中的電子產(chǎn)品數(shù)量正在迅速增加，但行業(yè)的焦點往往集中在傳感器、發(fā)動機(jī)控制單元 (ECU)、導(dǎo)航、車內(nèi)連接、音頻和高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 上。隨著電動汽車 (EV) 成為主流，能夠承受 800 伏以上電壓同時滿足嚴(yán)格環(huán)境要求的高電壓、高可靠性電子元件變得至關(guān)重要。這種需求適用于電容器級別。

　　除了符合 AEC-Q200 等抗應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)外，汽車設(shè)計師在選擇電容器時還必須根據(jù)具體應(yīng)用考慮許多物理和電氣特性。反饋回路需要具有嚴(yán)格公差和穩(wěn)定溫度系數(shù)的電容器。在高頻應(yīng)用中，等效串聯(lián)電感 (ESL) 必須很低。在電源應(yīng)用中，如果預(yù)計會出現(xiàn)高紋波電流，則需要具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的組件。對于電動汽車，最小化尺寸和重量也很重要。

　　為了滿足這些要求，現(xiàn)已推出符合多項國際安全規(guī)范和認(rèn)證(包括 AEC-Q200)的經(jīng)過安全認(rèn)證的表面貼裝多層陶瓷電容器 (MLCC)。

　　本文介紹了 MLCC電容器的結(jié)構(gòu)以及 EV 對 MLCC 的要求。然后，它展示了固有尺寸和體積效率以及 FlexiCap 端接和高耐壓等特性如何幫助 MLCC 滿足物理和電氣要求。提供了Knowles Syfer的真實示例。

　　MLCC的結(jié)構(gòu)

　　MLCC 是表面貼裝電容器，由幾個垂直堆疊并通過終端并聯(lián)連接的獨立電容器元件組成。因此，術(shù)語多層(圖 1)。

　　圖 1：MLCC 結(jié)構(gòu)的橫截面圖顯示了堆疊在一個公共封裝中的多個電容器層。 (圖片來源：Knowles Syfer)

　　為構(gòu)建 MLCC，使用交替極性電極交替的篩選過程構(gòu)建陶瓷電介質(zhì)層。這允許創(chuàng)建非常大量的層。這些多電極正 (+) 和負(fù) (-) 對的并聯(lián)連接允許在相對較小的封裝中制造大電容值。

　　電極是金屬的并且具有高導(dǎo)電性。制造過程要求電極不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并具有高熔點。為此，Knowles Syfer MLCC 電容器使用銀和鈀的組合作為電極。

　　電介質(zhì)還必須是良好的絕緣體。相對介電常數(shù) - 或介電常數(shù) (e r ) - 決定了給定組件幾何形狀可達(dá)到的電容。例如，Knowles Syfer增強(qiáng)安全認(rèn)證的表面貼裝 MLCC 帶有兩類陶瓷電介質(zhì)。第一個是 C0G/NP0，一種 EIA 1 類電介質(zhì)，相對于er為 0 的真空的介電常數(shù)，其介電常數(shù)介于 20 和 100 之間。第二個是 X7R，一種 EIA 2 類電介質(zhì)，具有e r在 2000 和 3000 之間。作為比較，e r云母為 5.4，塑料薄膜為 3。因此，對于給定的電容值，陶瓷電容器將更小。電介質(zhì)的選擇會影響電容器在溫度、施加電壓和時間方面的穩(wěn)定性。一般來說，er 越高，電容值越不穩(wěn)定。

　　EIA 將 2 類電介質(zhì)分類為字母數(shù)字分類。第一個字母表示最低溫度，數(shù)字表示最高溫度，最后一個字母表示電容容差。 X7R 電介質(zhì)解碼為最低溫度為 -55°C，最高溫度為 +125°C，電容容差為 ±15%。像 C0G 這樣的 1 類電介質(zhì)具有類似的編碼。第一個字符是一個字母，給出了電容隨溫度變化的有效數(shù)字，單位為百萬分之一攝氏度 (ppm/°C)。對于 C0G 電介質(zhì)，C 表示溫度穩(wěn)定性的零 ppm/°C 有效數(shù)字。第二個數(shù)字是溫度穩(wěn)定性的乘數(shù)。 0 表示 10 -1的乘數(shù).最后一個字母 G 定義了 ±30 ppm 的電容誤差。

　　1 類電介質(zhì)提供更高的精度和穩(wěn)定性。它們還表現(xiàn)出較低的損失。 2 類電介質(zhì)不太穩(wěn)定，但體積效率更高，因此每單位體積的電容更大。因此，較高值的 MLCC 電容器通常使用 2 類電介質(zhì)。 Knowles Syfer 增強(qiáng)型安全認(rèn)證 MLCC 具有 4.7 皮法 (pF) 至 56 納法 (nF) 的高電容范圍，具體取決于電介質(zhì)的選擇，以及高達(dá) 305 伏交流電 (VAC) 的額定電壓。

　　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)厚度成反比，而額定電壓與其成正比。因此，在電容、額定電壓和電容器的物理尺寸之間存在權(quán)衡。

　　EV用MLCC

　　MLCC 具有相對較低的 ESL 和 ESR，使其更適合高頻應(yīng)用，并且由于電介質(zhì)的選擇范圍廣泛，可以根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化電容值和公差范圍。它們是表面貼裝組件，具有非常高效的封裝，有助于解決電動汽車中的空間限制問題。與鋁電解電容器和鉭電容器相比，它們還具有很高的抗電壓瞬變能力。

　　雖然 MLCC 被廣泛使用，但如果由于振動或沖擊而受到機(jī)械應(yīng)力，它們可能會破裂。裂縫會使設(shè)備因水分污染而退化。 Knowles Syfer 的設(shè)計人員通過創(chuàng)建 FlexiCap 端接來解決這個問題，該端接可以提高對組件彎曲的容忍度(圖 2)。

　　圖 2：FlexiCap 設(shè)計在通常的端蓋屏障下方使用專有的柔性環(huán)氧聚合物端接底座，以提供更大的抵抗力，防止因電路板彎曲而造成損壞。 (圖片來源：Knowles Syfer)

　　FlexiCap 中使用的柔性終端基座應(yīng)用在電極上。這種材料是一種載銀環(huán)氧聚合物，使用傳統(tǒng)的端接技術(shù)應(yīng)用，然后進(jìn)行熱固化。它很靈活，可以吸收電路板和安裝的 MLCC 之間的一些機(jī)械應(yīng)力。

　　因此，與燒結(jié)端接組件相比，采用 FlexiCap 端接的組件能夠承受更大程度的機(jī)械應(yīng)變。 FlexiCap 還提供增強(qiáng)的保護(hù)，防止機(jī)械開裂和發(fā)生快速溫度變化的應(yīng)用。對于電動汽車的設(shè)計者來說，其結(jié)果是在處理過程中的電路板時具有更大程度的彎曲公差，轉(zhuǎn)化為更高的產(chǎn)量和更少的現(xiàn)場故障。

　　Knowles Syfer 安全認(rèn)證電容器對電動汽車也很重要，可通過 AEC-Q200 認(rèn)證。如果部件通過了一系列嚴(yán)格的溫度、熱沖擊、防潮、尺寸公差、耐溶劑、機(jī)械沖擊、振動、靜電放電、可焊性和電路板彎曲應(yīng)力測試，則該部件被視為“符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)” ，等等。

　　在電氣方面，經(jīng)過安全認(rèn)證的線路具有 4 千伏直流電 (kV DC ) 和 3 kV RMS的高介電耐壓 (DWV) 。這些是需要寬測試和安全余量的 EV 800 伏充電系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。

　　EV用MLCC示例

　　來自 Knowles Syfer 增強(qiáng)型安全認(rèn)證系列的各種電容器值均具有 Flexicap 端接和 AEC-Q200 認(rèn)證，使其特別適合 EV 應(yīng)用。例如，1808JA250101JKTSYX是一個 100 pF C0G/NP0 電容器，Y2 類(線對地)應(yīng)用的額定電壓為 250 伏交流電，X1 類(線對線)應(yīng)用的額定電壓為 305 伏交流電，容差為 ± 5%。它采用 1808 封裝，尺寸為 0.195 x 0.079 英寸，或 4.95 x 2.00 毫米 (mm)(圖 3)。

　　圖 3：所示為 1808JA250101JKTSYX MLCC 的物理尺寸(左)及其推薦的焊盤布局(右)。 (圖片來源：Knowles Syfer)

　　典型的 X7R 電容器是 Knowles Syfer 1812Y2K00103KST，這是一種 10000 pF ±10% 2 kV 設(shè)備，采用 1812 封裝，尺寸為 4.5 x 3.2 x 2.5 mm。 1808JA250101JKTSYX 和 1812Y2K00103KST 電容器類型的額定溫度范圍均為 -55°C 至 +125°C。該產(chǎn)品系列提供 1808、1812、2211、2215 和 2220 外殼尺寸，具體取決于使用的電介質(zhì)、電容值和額定電壓。

　　其他示例包括 Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X，這是一個 100 pF、250 伏交流(X2 類)、1 kV 直流、C0G/NP0 電容器，容差為 ±5%。 2220YA250102KXTB16是一個 1000 pF ±10 % 250 伏 X7R 電容器。

　　請注意，安裝和焊接 FlexiCap 端接電容器的制造要求與具有標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)端接的 MLCC 的制造要求相同，因此它們不需要特殊處理。此外，再次參考圖 3，可以使用符合 IPC-7351、表面貼裝設(shè)計和焊盤圖案標(biāo)準(zhǔn)的通用要求的焊盤布局來安裝 Knowles 片式電容器。除此之外，其他因素已被證明可以減少機(jī)械應(yīng)力，例如將焊盤寬度減小到小于芯片寬度。

　　結(jié)論

　　Knowles Syfer Flexicap 符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)的 MLCC 非常適合 EV 應(yīng)用，尤其是 800 伏電池系統(tǒng)，在這種情況下，增加測試電壓和安全裕度以處理浪涌和瞬態(tài)條件是必不可少的。 FlexiCap 終端使電容器能夠承受更高水平的機(jī)械應(yīng)力。因此，它們符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)計人員提供了功能、穩(wěn)定性和安全認(rèn)證的獨特組合。