作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

汽車電子產品需求不斷增長，應用范圍廣泛，包括引擎蓋下電子控制單元 (ECU)、信息娛樂系統、高級駕駛輔助系統 (ADAS) 等等。汽車電子系統依賴一系列高性能元件來確保可靠性和穩健性，包括用于濾波和儲能的電容器、用于電路保護的壓敏電阻、用于緊湊型 ECU 的連接器以及用于支持連接的射頻和微波無源元件和天線。

電子器件在車輛中的位置不同，對溫度、沖擊和振動、濕度、瞬態電壓、靜電放電 (ESD) 和其他環境因素的要求也會不同。在任何情況下，無源器件都需要符合 AEC-Q200 要求。

設計人員需要從一系列元器件中精心選擇，才能可靠地滿足一般汽車設計的挑戰，特別要達到 AEC-Q200 的性能標準。這可能費時、費力，具體取決于所涉及組件的數量和種類。

為了確保他們能夠應對先進汽車電子系統帶來的挑戰，同時最大限度地縮短產品上市所需的時間，找一個產品選擇范圍廣且通過汽車行業認證的單一成熟供貨來源可能是設計人員的最佳選擇。這些產品包括電容器、電路保護裝置、連接器以及射頻和微波無源元件和天線。

本文簡要比較了可供設計人員使用的幾種電容器技術的一些工作特性及其應用的適用性，包括 [Kyocera AVX]示例器件。然后介紹了用于[汽車解決方案]的電路保護裝置、連接器、射頻和微波無源元件以及天線的例子。

汽車電容器

對于常見的應用需求，如 10 伏 (V) 或更低電壓和最高 100 微法 (μF) 的電容，有多種電容技術在能力上基本差不多（圖 1）。這并不意味著它們同樣適合于每一種應用。設計人員在選擇時必須考慮的是其性能能力的微妙之處。一些重要的考慮因素包括電容隨應用電壓的變化（電壓系數）、電容隨溫度的變化（溫度系數）以及等效串聯電阻 (ESR) 隨頻率的變化（阻抗曲線）。

圖 1：從額定電壓和電容的角度來看，各種電容器技術是相似的。（圖片來源：Kyocera AVX）

高電容-電壓 (CV) 級多層陶瓷電容器 (MLCC) 可以將大量電容裝入一個小封裝中。一些固體鉭和聚合物鉭電容器采用與高 CV MLCC 共同的封裝。氧化鈮電容器的額定體積比電容略低。高 CV MLCC 有兩種電介質可選：

• X5R 電介質可以在高 CV MLCC 中產生最高的額定電容，最高可達 100μF
• X7R MLCC 的限制最大容量通常約為 22μF，但具有出色的溫度穩定性

例如，[12103C106K4T4A]X7R MLCC 的額定值為 10μF 和 25 伏。其電容在 -55 至 +125°C 期間的非線性溫度變化在 ±15% 以內。X7R 的電容也隨電壓和頻率的變化而變化。X7R 電介質 MLCC 可以特別適合用于接受因施加電壓引起已知電容變化的應用。

電壓和溫度系數

雖然它們相對穩定，但高 CV MLCC 的電容會隨著偏置電壓向額定電壓 (RV) 增加而減少。鉭、氧化鈮和聚合物電容器具有平坦的電壓系數。此外，高 CV MLCC 在高溫和低溫下電容都會下降，而鉭、氧化鈮和聚合物電容的溫度系數最小（圖 2）。

圖 2：與 MLCC 相比，鉭電容器具有平坦的電壓系數（左邊兩個圖）和最小的溫度系數（右圖）。（圖片來源：Kyocera AVX）

ESR 與頻率

阻抗曲線也可能是重要的。高 CV MLCC 的諧振尖稅和 ESR 低，而鉭和氧化鈮電容器具有寬帶阻抗曲線（圖 3）。鉭和氧化鈮器件的 ESR 在低溫下都會增加。聚合物電容器具有寬帶阻抗特性，與鉭和鈮氧化物相比，其 ESR 較低。此外，聚合物器件的 ESR 在低溫下仍然很低，而鉭和氧化鈮電容器的 ESR 則會上升。

圖 3：鉭電容器有一個寬帶阻抗曲線（橙色），而高 CV MLCC 有較低的 ESR（藍色）。（圖片來源：Kyocera AVX）

用于 ECU 的鉭電容器

汽車 ECU 的設計者可以使用 Kyocera AVX 符合 AEC-Q200 標準的 F97 系列鉭電容器，其額定電壓為 6.3 至 35 伏，工作溫度范圍為 -55 至 125℃，電容最高 150 μF。例如，[F971A107MCC]的額定值是 100 μF 和 10 伏。

用于車身電子的聚合物電容器

與鉭電容器一樣，聚合物電容器的工作溫度范圍為 -55 至 +125°C，但聚合物可提供高至 50 伏的額定電壓，而鉭器件的額定電壓為 35 伏。通過 AEC-Q200 認證的 TCQ 系列聚合物電容器的電容高達 470 μF，在 125°C 時的額定壽命為 2000 小時，是 AEC-Q200 規范要求的兩倍。這些電容器在汽車上的應用包括車身電子設備、信息娛樂系統、座艙控制和舒適系統，像 [TCQD337M004R0025E] 這樣額定值為 330 μF 和 4 伏的器件對這些應用有大有裨益。

用于客艙系統的氧化鈮電容器

像 OxiCap NOJ 系列氧化鈮電容器的電容值高達 1000μF，額定電壓也達 10 伏。這些電容器設計用于工作電壓為 7 伏的應用，如座椅位置模塊、安全氣囊控制和信息娛樂系統。其工作溫度范圍為 -55 至 +105℃。例如，[NOJC107M004RWJ]的額定值是 100 μF 和 4 伏。氧化鈮是一種本安型安全技術，具有高抗性和非燃燒故障模式。它們的可靠性也很高，在 85°C 下每工作 1000 小時的故障率為 0.5%。

高電壓 MLCC

除了高 CV 設計外，MLCC 的額定電壓可高達 5000 伏。Kyocera AVX 的 630 伏、0.15μF [1825CC154KAT2A] 通過了 AEC-Q200 認證，設計用于高頻汽車電源轉換器的吸收電路和諧振器以及高壓耦合或直流阻斷。這些高壓芯片設計在高頻率下具有低 ESR。

超級電容器

超級電容器用于汽車系統的備用電源，能夠延長電池壽命，并提供瞬時電源脈沖。AVX 的 SCC 系列的額定電壓為 2.7 伏和 3.0 伏，其電容范圍為 1 至 3000 法拉 (F)。[SCCV40E506SRB] 的額定電壓為 50 F 和 3 伏，最大 ESR 為 20 毫歐 (mΩ) （圖 4）。其乙腈 (ACN) 電解質技術帶來了低 ESR 特性。大約每降低 10°C 或 0.2 伏，ACN 器件的預期壽命就會增加一倍，因此適合長壽命應用。此外還提供專門優化的 SCC LE 系列零件，具有更低的 ESR。

圖 4：像 SCCV40E506SRB 這樣的超級電容器可以提供備用電力，延長電池壽命，或提供瞬時電源脈沖。（圖片來源：Kyocera AVX）

ESD 保護

大多數汽車系統都需要 ESD 保護。Kyocera AVX 的 TransGuard 低鉗位型多層壓敏電阻通過了 AEC-Q200 認證，設計用于需要較低鉗位-工作電壓比的場合。它們在單個元件中提供雙向 ESD 過壓保護以及電磁干擾和射頻干擾 (EMI/RFI) 衰減，適用于 ECU、信息娛樂系統和車內顯示器等應用。[VLAS080516C350RP]的工作電壓為 16 伏直流電 (V 直流 ) 或 11 伏交流電 (VAC) ，擊穿電壓為 19.5 伏 +12%，鉗位電壓為 35 伏，電容為 900 皮法 (pF)（圖 5）。

圖 5：VLAS080516C350RP 是一種低鉗位型多層壓敏電阻，可提供雙向 ESD 保護和 EMI/RFI 衰減。（圖片來源：Kyocera AVX）

Kyocera AVX ASPGuard 系列是通過 AEC-Q200 認證的低電容器件，旨在用于射頻系統、傳感器、高速數據線以及其他有電容敏感電路需要進行高能保護的應用。ASPGuard ESD 保護器件具有低漏電電流，以及 -55 至 +150 ℃ 的工作溫度范圍和 18 至 70 V直流的工作電壓。例如，[VCAS04AP701R5YATWA] 的額定電壓為 70 V 直流 ，電容為 1.55 ±0.13 pF，漏電電流為 0.1 微安 (μA)。

用于 ECU 的卡邊緣連接器

高密度汽車 ECU 需要更高密度的互連解決方案，如圖 6 所示的 12 針位 [009159012651916]卡邊緣連接器。雙排 9159-650 連接器系列有 4 至 12 個針位，并具有交錯的接觸條，使之針位數是類似尺寸的單排設計的兩倍。這些卡邊緣連接器提供有極性和無極性兩種版本。有極性連接器要求印刷電路板提供一個鍵，以防止誤插入。這些連接器設計用于 1.6 毫米 (mm) 厚的印刷電路板。它們采用鍍金觸頭，當與印刷電路板上的鍍金焊盤配接時，可實現高水平的可靠性和信號完整性，并能承載 2.5 A 的電流。

圖 6：009159012651916 12 針位卡邊緣連接器可支持高密度 ECU 連接需求。（圖片來源：Kyocera AVX）

車輛連接

越來越多的車輛應用需要射頻和微波定向耦合器、電感器和天線，包括定位系統、無鑰匙進入和車輛對一切 (V2X) 連接。定向耦合器是許多射頻信號鏈的一個重要組成部分。用來對射頻信號進行采樣，在信號和采樣端口之間具有高隔離度和低插入損耗，可支持分析、測量和處理。例如，[CP0603A0836ANTR]是一個射頻定向耦合器，工作在 824 至 849 兆赫 (MHz) 頻段，具有 20.0 分貝 (dB) 耦合、0.25 dB 最大插入損耗、28 dB 回波損耗和 22 dB 指向性。

射頻天線調諧在高性能汽車射頻應用中非常重要，如 ADAS、V2X 通信和艙內連接。[L0201R39AHSTR500] 射頻調諧電感器在 450 兆赫時具有 0.39 (±0.05) 毫微安 (nH) 的固定電感，額定電流為 550 mA，最大電阻為 100 毫歐 (mΩ)。它采用堅固的薄膜多層結構，支持自動裝配。

緊湊而高效的天線是射頻系統的一個重要組成部分。AEC-Q200 并不直接適用于天線，但 Kyocera AVX 嚴格按照 AEC-Q200 的程序和要求測試其汽車天線。因此像 [A1001013] Wi-Fi、藍牙和 Zigbee 天線這樣的 A 系列天線可推薦用于汽車應用（圖 7）。

圖 7：A1001013 汽車級天線旨在用于 Wi-Fi、藍牙和 Zigbee 應用。（圖片來源：Kyocera AVX）

結語

隨著自主駕駛和聯網車輛數量的增多，對 AEC-Q200 級無源元件的需求也大大增多，但此類元器件種類繁多、選擇多樣，這給設計者帶來了不小的挑戰，設計者只精心選擇才能確保車輛高效、穩定、可靠地行駛。如果能找到一個成熟、可靠的合作伙伴來提供汽車級電容器、電路保護裝置、連接器、射頻和微波無源元件和天線，那么就會大大提升這一選擇過程的速度和效率。