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來源：Digi-Key 作者：Art Pini 雖然車輛中的電子元器件數量正在迅速增加，但行業的焦點往往是傳感器、發動機控制單元 (ECU)、導航、艙內連接、音響以及高級駕駛輔助系統 (ADAS)。隨著電動汽車 (EV) 成為主流，能夠承受 800 伏以上電壓并滿足嚴格環境要求的高電壓、高可靠性電子元器件已變得至關重要。這種需求直接落實到電容器層面。 除了符合 AEC-Q200 等抗應變標準外，汽車設計人員在選擇電容器時必須根據具體應用考慮許多物理和電氣特性。反饋環路需要采用具有緊公差且溫度系數穩定的電容器。在高頻應用中，必須具有低等效串聯電感 (ESL)。在電力應用中，如果預期有高紋波電流，就需要采用低等效串聯電阻 (ESR) 元件。對于電動車來說，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 在內的多種國際安全規范和認證。 本文介紹 MLCC 電容器的結構以及電動汽車 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，如何幫助 MLCC 滿足物理和電氣要求。本文以 Knowles Syfer 的產品為例進行說明。 MLCC 的結構 MLCC 是表面貼裝電容器，由多個獨立的電容元件垂直堆疊而成，并以端部端接的方式并聯。因此這些電容稱為多層電容器（圖 1）。 
圖 1：MLCC 結構橫截面圖顯示了在同一個封裝中堆疊了多個電容器層。（圖片來源：Knowles Syfer） 為了構造 MLCC，陶瓷電介質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，就可構建許多層。通過這種多個正 (+) 和負 (-) 電極對的并聯，可在一個相對較小的封裝中構建大電容值。 其中，電極采用金屬材質，具有高導電性。在制造過程中，要求電極不具有化學反應性并具有高熔點。為此，Knowles Syfer MLCC 電容器使用銀和鈀合金作為電極。 電介質還必須是良好的絕緣體。相對電容率或介電常數(er) 決定了給定的元件幾何形狀下可達到的電容。例如，Knowles Syfer 增強型安全認證表面貼裝 MLCC 具有兩類陶瓷電介質。第一類是 C0G/NP0，這是一種 EIA 1 類電介質，相對于 er 為 0 的真空電介質，其相對介電常數在 20 至 100 之間。第二種是 X7R，這是一種 EIA 2 類電介質，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，陶瓷電容器會更小。電介質的選擇會影響到電容器在溫度、應用電壓和時間方面的穩定性。一般來說，er 越高，電容值越不穩定。 EIA 用字母數字分類法對 2 類電介質進行分類。第一個字母指定最低溫度，中間數字表示最高溫度，最后一個字母描述電容公差。X7R 電介質的解碼為：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 類電介質也有類似的編碼。第一個字符是一個字母，給出了電容隨溫度變化的有效數字，單位是每百萬分之一攝氏度 (ppm/℃)。對于 C0G 電介質，C 表示零 ppm/°C 有效數字（溫度穩定性）。第二個數字是溫度穩定性的乘數。0 表示乘數為 10-1。最后一個字母 G，定義了電容誤差為 ±30ppm。 1 類電介質具有更高的精度和穩定性。其損耗也較低。2 類電介質的穩定性較差，但容積效率更高，從而可實現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。通過增強安全認證的 Knowles Syfer MLCC 根據所選電介質的不同可提供 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的 er 成正比。電容與電介質的厚度成反比，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行權衡。 用于電動車的 MLCC MLCC 具有相對較低的 ESL 和 ESR，使其更適合高頻應用，而且還有多種電介質可供選擇，所以其電容值、容差范圍可以根據具體的應用進行優化。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的抗電壓瞬變能力。 雖然 MLCC 已廣泛使用，但如果受到振動或沖擊造成的機械應力，可能會發生開裂現象。裂縫會使器件性能因濕潮濕而退化。Knowles Syfer 的設計人員通過采用 FlexiCap 端接方式解決了這一問題，因為該端接方式對元件的彎曲有更高的容忍度（圖 2）。
圖 2：FlexiCap 設計在通常的端蓋屏障下使用專有的柔性環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氧樹脂聚合物，使用傳統的端接技術，然后進行熱固化。這是一種柔性材料，可以吸收電路板和安裝的 MLCC 之間的一些機械應變。 因此，與燒結端接器件相比，用 FlexiCap 端接的器件能承受更大的機械應變。FlexiCap 還能提供增強型保護，可在發生快速溫度變化的應用中防止發生機械開裂。對于電動汽車設計者來說，其結果是在處理在制電路板過程中，可耐受更大的彎曲，從而提高產出率，減少現場故障。 對于電動汽車來說，重要的是 Knowles Syfer 的安全認證電容器具有 AEC-Q200 資質。如果零件通過了嚴格的應力測試，則可認為這些零件具有“AEC-Q200”認證，具體測試包括溫度、熱沖擊、耐濕性、尺寸公差、耐溶劑性、機械沖擊、振動、靜電放電、可焊性和電路板彎曲等測試。 在電氣方面，獲得安全認證的產品線具有 4 kVDC 和 3 kVRMS 的高絕緣耐壓 (DWV) 能力。這些都是電動車 800 V 充電系統的關鍵特性，需要廣泛的測試和安全裕量。 用于電動汽車的 MLCC 實例 Knowles Syfer 提供的增強型安全認證產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，使其特別適合電動車應用。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）應用，305 VAC 版本適合 X1 類（線對線）應用，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）。
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 規格，具體取決于所使用的介質、電容值和額定電壓。 其他產品如 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準燒結端接 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《表面貼裝設計和焊盤布局標準的通用要求》的焊盤布局進行安裝。此外，也有經證實可以減少機械應力的其他因素，如使焊盤寬度小于電容器寬度。 結束語 Knowles Syfer 通過 AEC-Q200 認證的 MLCC 非常適用于電動汽車應用，特別是 800 V 電池系統，在這種系統中，通過提高測試電壓和安全系數來應對浪涌和瞬態情況是必不可少的。FlexiCap 端接使電容器能夠應對更大的機械應力。就這一事實和滿足 AEC-Q200 要求而言，這些器件為設計人員帶來了一個能力、穩定性和安全認證的獨特組合。 |
