防震电容器技术

2020-09-17

我们中的许多人都会看到设备过度振动的影响，从异常磨损和固定松动到组件的实际损坏，不一而足。可以通过传统方法使机械设备不受干扰，例如使用额外的固定装置将组件锁定下来，或者使用防振装置故意隔离敏感区域。但是，在引入电子设备时，可能会存在成千上万个易于损坏的小型组件。

如今，车辆已成为冲击和振动相对恶劣的环境的典范，我们在其中包装各种电子产品，从大功率电动机控制到自动驾驶辅助系统再到信息娱乐。最新的驱动系统甚至在轮毂中包括复杂的电子设备-在车辆的“簧下质量”中，机械环境应力最为严重。

在车辆和许多其他消费产品中，电子产品通常对安全至关重要，因此必须高度可靠，但同时要尽可能降低成本。但是，要获得抗振动损伤的能力，传统的“过度工程化”航空航天方法是不可行的，必须找到使大量生产的组件满足相关规格的解决方案。

制定标准

要验证是否已充分保护组件免受振动损害，我们必须首先为自己设定一个可接受的标准。这是一项艰巨的任务，因为振动本质上通常是相当随机的，并且会随条件和时间而变化。在某些环境中，例如在工业中，振动影响通常来自旋转的机械，并且可以在一定程度上量化，但是在其他领域，例如汽车，则有来自牵引系统和路面的多种来源。汽车原始设备制造商在具有标准粗糙表面的测试轨道上具有详尽的测试制度，但是人们期望电子子系统及其组件已经过评估，并证明符合某些标准。根据定义，随机振动无法标准化，因此一种常见的技术是应用正弦激励，

然后将振动输入设置为在这些频率上停留一段时间，以确定是否发生故障。连续的正弦扫频振动激励也是“耐力（通过扫掠来证明）”概念的基础。IEC 60068-2-6：2008是正弦振动测试方法的标准，它还提供了一些建议的测试级别和持续时间。

 

图1：正弦曲线的位移，速度和加速度之间的关系 

振动测试等级

纯正弦振动的强度可以用数学上相关的三种方式表示：最大振幅或位移，最大速度和最大加速度。图1显示了归一化为1Hz的量之间的关系，这是由速度是位移随时间的变化而加速度是速度随时间的变化这一事实得出的。

当正弦波过零并且最大加速度在波形的峰值处时，将出现最大速度。请记住，正弦的微分是余弦，即90度相移，进一步的微分是90度相移，这有助于形象化。图1中的三个图是等效的，因此任何图都可以用来定义特定频率下的振动强度，并且可以方便地引用恒定量，加速度作为规格。但是，对于恒定加速度，位移会随着频率的降低而增加，并且在某点上对于测试设备的维护是不切实际的，因此，常见的规范是要求恒定位移振动达到指定的“交叉”频率，然后恒定加速度从那里到最大频率。

IEC 60068-2-6：2008主要关注术语和方法的定义，但确实提供了一些建议的测试条件。例如，扫描速率被指定为指数。一个八度音程，或者每分钟频率加倍，公差为+/- 10％。该范围内的较低频率应从任意设定值中选择；0.1、1、5、10、55或100Hz，上限频率应从10、20、35、55、100、150、200、300、500、1000、2000或5000 Hz中选择。标准中的表格显示了测试持续时间，典型情况是10Hz至5,000Hz扫描重复100次，耗时约30小时。高达10Hz时，通常会指定一个恒定的位移幅度，而高于10Hz时，则是一个恒定的加速度。但是，如果在该频率上要求的幅度超出测试设备的能力，则可能需要更高的交叉频率。

IEC 60068-2-6：2008没有规定确切的振动强度水平和许多扫描周期，但给出了表1中所示的示例，该示例源自标准。交叉频率设置为58Hz至62Hz。低于交越频率时使用振幅或位移规格，高于时则使用加速度。加速度以m / s 2给出，以将“ g”除以10得到一个近似值。 

电容器需要免疫振动

在所有常见的电子组件中，电容器通常最容易受到振动破坏，特别是高值电解类型，这种电容器可以高又小，以减小占地面积。典型的通孔引线型具有相对较差的性能，通常在10到55Hz的扫频范围内，最大额定值为10g或约100m / s2，峰到峰位移为1.5mm。尽管这对于非关键的商用设备是可以接受的，但其他应用（例如公路车辆，建筑设备和农业机械）通常需要更高的额定值。

松下已在其FK，FKS，FP，FN，FT，TC，TCU，TP和TQ系列的表面贴装铝电解电容器范围内以及在其导电聚合物混合材料范围内找到了解决此问题的方法ZA，ZC，ZE，ZK，ZKU和ZS系列的铝电解电容器。这些系列的零件可以指定具有高振动能力，包括更厚的内部连接，与塑料基板的高“壁”以及带有辅助触点的更多支撑端子。

耐振动类型能够承受294m / s2（30g）的冲击，并且在5到2000Hz的振动激励下具有5mm的峰到峰位移，从而显着提高了性能。分别在X，Y和Z轴上进行了两个小时的测试，没有出现故障。这些零件的高振动规范得到了汽车AEC-Q200兼容性和高耐用性的补充，根据系列的不同，通常在105°C时为10,000小时，在125°C时为4000小时，在145°C时为2000小时。

导电聚合物混合铝技术补充了高振动规范

在使用高off值的应用中，零件的物理尺寸很大，通常会并联很多，因此电容器遭受振动损坏的风险最大。例如，逆变器或电机控制器中的直流母线连接或大功率AC-DC和DC-DC转换器中的输出滤波器。但是，在这些应用中，尤其是在高开关频率下，电容值本身通常不是关键参数，只要它高于大容量储能的最小值即可。更重要的是组件的等效串联电阻（ESR）和随之产生的纹波电流处理能力。通过电容器ESR的高频纹波电流会产生纹波电压，这通常对转换器性能至关重要。

 

图2：松下抗振SMD电容器的一般结构

 

	每个轴的扫描周期数			应用实例
振幅频率	0.35mm或50m / s 2	0.75mm或100m / s 2	1.5mm或200m / s 2
10至55 Hz	10	10		大型工业发电厂，重型旋转机械，轧钢厂，大型商船和海军舰船。
10至55 Hz	10	10		通用陆基和陆路运输，小型小型海上航行器（海军或民用）和通用飞机使用。
10至2000 Hz		10	10	太空发射器（200m / s2）。飞机上的发动机安装组件
55至500 Hz	10	10		适用于10Hz至500Hz，但适用于小型刚性部件，在低于55Hz的频率下无共振响应。
55至2000 Hz		10	10	适用于10Hz至2000Hz，但适用于小型刚性部件，在低于55Hz的频率下无共振响应。
100至2000 Hz		10	10	应用范围为55Hz至2000Hz，但适用于非常刚性结构的非常小的组件，例如封装的晶体管，二极管，电阻器，电容器和集成电路

表1：IEC 60068-2-6：2008中的应用类别的振动强度和扫描周期数示例

 

	直流母线12V
	径向AI电容器	松下Hybrid ZS系列
项目	Φ16 x 25mm 4个2200μF，25V	Φ10 x 16mm3颗560μF，25V
卷	100％（20,000毫米3）	20％（3885毫米3）
总ESR（100kHz，20°C）	3毫欧	2.8毫欧
总纹波等级	11臂	12臂

表3：案例研究，使用标准和导电聚合物电容器的直流母线应用

“标准”电解电容器可以具有良好的ESR和纹波电流额定值，但是Panasonic导电聚合物混合铝类型可以为较小的罐尺寸具有更好的额定值，并具有更好的纹波电压性能。例如，在12V直流母线应用中，如果规范要求最低1500μF，总ESR为3毫欧和11 Arms纹波电流，则可以使用四个Φ16mm x 25mm的标准电解电容器或三个Panasonic ZS系列实现导电聚合物混合型Φ10mm x 16.5mm，体积仅为体积的20％，重量仅为其一部分（图3）。松下的防震功能以及减小的高度，体积和重量也大大提高了防震性能。