通过仔细选择和使用无源元件确保可靠的汽车系统

在一系列应用中，对汽车电子产品的需求正在增长，包括引擎盖下的电子控制单元 （ECU）、信息娱乐系统、高级驾驶辅助系统 （ADAS） 等。汽车电子系统依靠一系列高性能组件来确保可靠和强大的性能，包括用于滤波和能量存储的电容器、用于电路保护的压敏电阻、用于紧凑型ECU的连接器以及支持连接的RF和微波无源元件和天线。

根据车辆中的位置，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可能会有所不同。在所有情况下，都需要符合AEC-Q200要求的无源元件。

设计人员需要从一系列组件中仔细选择，以可靠地应对汽车设计的挑战，尤其是AEC-Q200性能标准。这可能既困难又耗时，具体取决于所涉及的组件的数量和种类。

为了确保它们能够应对与先进汽车电子系统相关的挑战，同时最大限度地缩短上市时间，设计人员可以利用一个经过验证的来源，其中包含多种已经通过汽车认证的组件。其中包括电容器、电路保护器件、连接器以及射频和微波无源元件和天线。

本文简要比较了设计人员可用的几种电容器技术的一些工作特性及其应用适用性，包括京瓷AVX的示例性器件。然后介绍了用于汽车解决方案的电路保护器件、连接器、射频和微波无源元件以及天线的示例。

汽车电容器

对于 10 伏 （V） 或更低以及电容高达 100 微法拉 （μF） 等常见应用需求，几种电容器技术在功能方面存在显著重叠（图 1）。这并不意味着它们同样适合每种应用。设计人员在选择时必须考虑其性能的微妙之处。一些重要的考虑因素包括电容随施加电压的变化（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：从电压和电容额定值的角度来看，各种电容器技术是相似的。（图片来源：京瓷AVX）

高电容电压 （CV） 额定多层陶瓷电容器 （MLCC） 可以将大量电容封装到小型封装中。一些固体钽和钽聚合物电容器与高CV MLCC具有共同的封装。 氧化铌电容器的体积电容额定值略低。高恒压 MLCC 有两种电介质可供选择：

• X5R 电介质可在高 CV MLCC 中产生最高额定电容，高达 100 μF。
• X7R MLCC 通常限制在最大约 22 μF，但具有出色的温度稳定性

例如，12103C106K4T4A X7R MLCC 的额定电压为 10 μF 和 25 V。它在 -55 至 +125°C 范围内具有 ±15% 的非线性电容温度变化。 X7R 的电容也随电压和频率而变化。X7R 电介质 MLCC 特别适用于可接受由施加电压引起的已知电容变化的应用。

电压和温度系数

高CV MLCC虽然相对稳定，但随着偏置电压向额定电压（RV）的增加而降低。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在高温和低温下的电容会降低，而钽、氧化铌和聚合物电容器的温度系数最小（图2）。

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

红电比与频率的关系

阻抗曲线也很重要。高CV MLCC具有尖锐的谐振和低ESR，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，与钽和氧化铌相比，ESR更低。此外，聚合物器件的ESR在低温下保持较低，而钽和氧化铌电容器的ESR上升。

图 3：钽电容器具有宽带阻抗曲线（橙色），而高 CV MLCC 具有较低的 ESR（蓝色）。（图片来源：京瓷AVX）

用于ECU的钽电容器

汽车 ECU 的设计人员可以转向 Kyocera AVX 的符合 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°C，电容高达 150 μF。例如，F971A107MCC 的额定电压为 100 μF 和 10 V。

用于车身电子的聚合物电容器

与钽一样，聚合物电容器的工作温度范围为 -55 至 +125°C，但聚合物的 RV 高达 50 伏，而钽器件的 RV 为 35 伏。TCQ 系列符合 AEC-Q200 标准的聚合物电容器具有高达 470 μF 的电容，在 125°C 下的额定寿命为 2，000 小时，是 AEC-Q200 规范要求的两倍。这些电容器的汽车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，这些应用可以从额定电压为 330 μF 和 4 V 的 TCQD337M004R0025E 等器件中受益。

用于车内系统的氧化铌

像 OxiCap NOJ 系列这样的氧化铌电容器具有高达 1000 μF 的电容值和高达 10 V 的 RV 的电容值。这些电容器设计用于工作电压高达 7 伏的应用，例如座椅位置模块、安全气囊控制和信息娱乐系统。它们的工作温度范围为 -55 至 +105°C。 例如，NOJC107M004RWJ 的额定电压为 100 μF 和 4 伏。氧化铌是一种本质安全的技术，具有高电阻和非燃烧失效模式。它们还非常可靠，在 85°C 下每 1，000 小时运行故障率为 0.5%。

高压单氟车

除了高 CV 设计外，MLCC 还提供额定电压高达 5，000 伏的 MLCC。京瓷AVX的AEC-Q200认证630伏，0.15μF 1825CC154KAT2A设计用于高频汽车电源转换器中的缓冲器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下具有低 ESR。

超级电容器

超级电容器在汽车系统中用于备用电源，延长电池寿命并提供瞬时功率脉冲。AVX 的 SCC 系列在 2.7 伏和 3.0 伏额定电压的器件中提供 1 至 3，000 法拉 （F） 的电容。SCCV40E506SRB 的额定电压为 50 F 和 3 V，最大 ESR 为 20 毫欧 （mΩ）（图 4）。其乙腈 （ACN） 电解质技术可提供低 ESR。大约每降低 10°C 或 0.2 伏，ACN 器件的预期寿命就会翻倍，使其适合长寿命应用。提供经过特别优化的 SCC LE 系列器件，具有更低的 ESR。

图 4：SCCV40E506SRB 等超级电容器可以提供备用电源、延长电池寿命或提供瞬时功率脉冲。（图片来源：京瓷AVX）

静电防护

大多数汽车系统都需要ESD保护。京瓷AVX的TransGuard低钳位多层压敏电阻符合AEC-Q200标准，设计用于需要较低钳位与工作电压比的应用。它们在单个组件中提供双向 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 是一款低钳位多层压敏电阻，提供双向 ESD 保护和 EMI/RFI 衰减。（图片来源：京瓷AVX）

京瓷AVX ASPGuard系列符合AEC-Q200标准的低电容器件专为射频系统、传感器、高速数据线等需要保护电容敏感电路免受高能量保护的场所而设计。ASPGuard ESD 保护器件具有低漏电流，工作温度范围为 -55 至 +150°C，工作电压为 18 至 70 V 直流 .例如，VCAS04AP701R5YATWA 的额定电压为 70 V直流电容为 1.55 ±0.13 pF，漏电流为 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位009159012651916卡边缘连接器。双排 9159-650 连接器系列提供 4 至 12 个针位，并具有交错触头排，其位置数是类似尺寸的单排设计的两倍。这些卡边缘连接器可带极化和不带极化。极化连接器要求印刷电路板包含一个键，以防止错误插入。这些连接器设计用于 1.6 毫米 （mm） 厚的印刷电路板。它们具有镀金触点，当与印刷电路板上的镀金焊盘配合时，它们可提供高水平的可靠性和信号完整性，并可承载 2.5 A 电流。

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

车辆连接

射频和微波定向耦合器、电感器和天线需要越来越多的应用，包括定位系统、无钥匙进入和车联网 （V2X） 连接。定向耦合器是许多RF信号链的重要组成部分。它们用于对信号和采样端口之间的高隔离度和低插入损耗的RF信号进行采样，以支持分析、测量和处理。例如，CP0603A0836ANTR 是一款射频定向耦合器，工作在 824 至 849 兆赫 （MHz） 频段，耦合度为 20.0 分贝 （dB），最大插入损耗为 0.25 dB，回波损耗为 28 dB，方向性为 22 dB。

射频天线调谐在高性能汽车射频应用中非常重要，例如 ADAS、V2X 通信和车内连接。L0201R39AHSTR\500 射频调谐电感器在 450 MHz 时具有 0.39 （±0.05） 纳亨 （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制造，支持自动组装。

紧凑高效的天线是射频系统的关键组件。AEC-Q200 不直接适用于天线，但京瓷 AVX 严格遵循 AEC-Q200 的程序和要求来测试其汽车级天线。由此产生的 A 系列天线（如 A1001013 Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 天线）推荐用于汽车应用（图 7）。

图 7：A1001013 汽车级天线设计用于 Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 应用。（图片来源：京瓷AVX）

结论

自动驾驶和互联汽车越来越多地要求设计人员识别和选择大量符合AEC-Q200标准的无源元件，以确保稳健、可靠和高效的运行。通过使用已知的可靠合作伙伴，可以提供汽车级电容器、电路保护器件、连接器、射频和微波无源元件以及天线，可以加快该过程。