防震電容器技術(shù)

2020-09-17

我們中的許多人都會(huì )看到設備過(guò)度振動(dòng)的影響，從異常磨損和固定松動(dòng)到組件的實(shí)際損壞，不一而足?？梢酝ㄟ^(guò)傳統方法使機械設備不受干擾，例如使用額外的固定裝置將組件鎖定下來(lái)，或者使用防振裝置故意隔離敏感區域。但是，在引入電子設備時(shí)，可能會(huì )存在成千上萬(wàn)個(gè)易于損壞的小型組件。

如今，車(chē)輛已成為沖擊和振動(dòng)相對惡劣的環(huán)境的典范，我們在其中包裝各種電子產(chǎn)品，從大功率電動(dòng)機控制到自動(dòng)駕駛輔助系統再到信息娛樂(lè )。最新的驅動(dòng)系統甚至在輪轂中包括復雜的電子設備-在車(chē)輛的“簧下質(zhì)量”中，機械環(huán)境應力最為嚴重。

在車(chē)輛和許多其他消費產(chǎn)品中，電子產(chǎn)品通常對安全至關(guān)重要，因此必須高度可靠，但同時(shí)要盡可能降低成本。但是，要獲得抗振動(dòng)損傷的能力，傳統的“過(guò)度工程化”航空航天方法是不可行的，必須找到使大量生產(chǎn)的組件滿(mǎn)足相關(guān)規格的解決方案。

制定標準

要驗證是否已充分保護組件免受振動(dòng)損害，我們必須首先為自己設定一個(gè)可接受的標準。這是一項艱巨的任務(wù)，因為振動(dòng)本質(zhì)上通常是相當隨機的，并且會(huì )隨條件和時(shí)間而變化。在某些環(huán)境中，例如在工業(yè)中，振動(dòng)影響通常來(lái)自旋轉的機械，并且可以在一定程度上量化，但是在其他領(lǐng)域，例如汽車(chē)，則有來(lái)自牽引系統和路面的多種來(lái)源。汽車(chē)原始設備制造商在具有標準粗糙表面的測試軌道上具有詳盡的測試制度，但是人們期望電子子系統及其組件已經(jīng)過(guò)評估，并證明符合某些標準。根據定義，隨機振動(dòng)無(wú)法標準化，因此一種常見(jiàn)的技術(shù)是應用正弦激勵，

然后將振動(dòng)輸入設置為在這些頻率上停留一段時(shí)間，以確定是否發(fā)生故障。連續的正弦掃頻振動(dòng)激勵也是“耐力（通過(guò)掃掠來(lái)證明）”概念的基礎。IEC 60068-2-6：2008是正弦振動(dòng)測試方法的標準，它還提供了一些建議的測試級別和持續時(shí)間。

 

圖1：正弦曲線(xiàn)的位移，速度和加速度之間的關(guān)系 

振動(dòng)測試等級

純正弦振動(dòng)的強度可以用數學(xué)上相關(guān)的三種方式表示：最大振幅或位移，最大速度和最大加速度。圖1顯示了歸一化為1Hz的量之間的關(guān)系，這是由速度是位移隨時(shí)間的變化而加速度是速度隨時(shí)間的變化這一事實(shí)得出的。

當正弦波過(guò)零并且最大加速度在波形的峰值處時(shí)，將出現最大速度。請記住，正弦的微分是余弦，即90度相移，進(jìn)一步的微分是90度相移，這有助于形象化。圖1中的三個(gè)圖是等效的，因此任何圖都可以用來(lái)定義特定頻率下的振動(dòng)強度，并且可以方便地引用恒定量，加速度作為規格。但是，對于恒定加速度，位移會(huì )隨著(zhù)頻率的降低而增加，并且在某點(diǎn)上對于測試設備的維護是不切實(shí)際的，因此，常見(jiàn)的規范是要求恒定位移振動(dòng)達到指定的“交叉”頻率，然后恒定加速度從那里到最大頻率。

IEC 60068-2-6：2008主要關(guān)注術(shù)語(yǔ)和方法的定義，但確實(shí)提供了一些建議的測試條件。例如，掃描速率被指定為指數。一個(gè)八度音程，或者每分鐘頻率加倍，公差為+/- 10％。該范圍內的較低頻率應從任意設定值中選擇；0.1、1、5、10、55或100Hz，上限頻率應從10、20、35、55、100、150、200、300、500、1000、2000或5000 Hz中選擇。標準中的表格顯示了測試持續時(shí)間，典型情況是10Hz至5,000Hz掃描重復100次，耗時(shí)約30小時(shí)。高達10Hz時(shí)，通常會(huì )指定一個(gè)恒定的位移幅度，而高于10Hz時(shí)，則是一個(gè)恒定的加速度。但是，如果在該頻率上要求的幅度超出測試設備的能力，則可能需要更高的交叉頻率。

IEC 60068-2-6：2008沒(méi)有規定確切的振動(dòng)強度水平和許多掃描周期，但給出了表1中所示的示例，該示例源自標準。交叉頻率設置為58Hz至62Hz。低于交越頻率時(shí)使用振幅或位移規格，高于時(shí)則使用加速度。加速度以m / s 2給出，以將“ g”除以10得到一個(gè)近似值。 

電容器需要免疫振動(dòng)

在所有常見(jiàn)的電子組件中，電容器通常最容易受到振動(dòng)破壞，特別是高值電解類(lèi)型，這種電容器可以高又小，以減小占地面積。典型的通孔引線(xiàn)型具有相對較差的性能，通常在10到55Hz的掃頻范圍內，最大額定值為10g或約100m / s2，峰到峰位移為1.5mm。盡管這對于非關(guān)鍵的商用設備是可以接受的，但其他應用（例如公路車(chē)輛，建筑設備和農業(yè)機械）通常需要更高的額定值。

松下已在其FK，FKS，FP，FN，FT，TC，TCU，TP和TQ系列的表面貼裝鋁電解電容器范圍內以及在其導電聚合物混合材料范圍內找到了解決此問(wèn)題的方法ZA，ZC，ZE，ZK，ZKU和ZS系列的鋁電解電容器。這些系列的零件可以指定具有高振動(dòng)能力，包括更厚的內部連接，與塑料基板的高“壁”以及帶有輔助觸點(diǎn)的更多支撐端子。

耐振動(dòng)類(lèi)型能夠承受294m / s2（30g）的沖擊，并且在5到2000Hz的振動(dòng)激勵下具有5mm的峰到峰位移，從而顯著(zhù)提高了性能。分別在X，Y和Z軸上進(jìn)行了兩個(gè)小時(shí)的測試，沒(méi)有出現故障。這些零件的高振動(dòng)規范得到了汽車(chē)AEC-Q200兼容性和高耐用性的補充，根據系列的不同，通常在105°C時(shí)為10,000小時(shí)，在125°C時(shí)為4000小時(shí)，在145°C時(shí)為2000小時(shí)。

導電聚合物混合鋁技術(shù)補充了高振動(dòng)規范

在使用高off值的應用中，零件的物理尺寸很大，通常會(huì )并聯(lián)很多，因此電容器遭受振動(dòng)損壞的風(fēng)險最大。例如，逆變器或電機控制器中的直流母線(xiàn)連接或大功率AC-DC和DC-DC轉換器中的輸出濾波器。但是，在這些應用中，尤其是在高開(kāi)關(guān)頻率下，電容值本身通常不是關(guān)鍵參數，只要它高于大容量?jì)δ艿淖钚≈导纯?。更重要的是組件的等效串聯(lián)電阻（ESR）和隨之產(chǎn)生的紋波電流處理能力。通過(guò)電容器ESR的高頻紋波電流會(huì )產(chǎn)生紋波電壓，這通常對轉換器性能至關(guān)重要。

 

圖2：松下抗振SMD電容器的一般結構

 

	每個(gè)軸的掃描周期數			應用實(shí)例
振幅頻率	0.35mm或50m / s 2	0.75mm或100m / s 2	1.5mm或200m / s 2
10至55 Hz	10	10		大型工業(yè)發(fā)電廠(chǎng)，重型旋轉機械，軋鋼廠(chǎng)，大型商船和海軍艦船。
10至55 Hz	10	10		通用陸基和陸路運輸，小型小型海上航行器（海軍或民用）和通用飛機使用。
10至2000 Hz		10	10	太空發(fā)射器（200m / s2）。飛機上的發(fā)動(dòng)機安裝組件
55至500 Hz	10	10		適用于10Hz至500Hz，但適用于小型剛性部件，在低于55Hz的頻率下無(wú)共振響應。
55至2000 Hz		10	10	適用于10Hz至2000Hz，但適用于小型剛性部件，在低于55Hz的頻率下無(wú)共振響應。
100至2000 Hz		10	10	應用范圍為55Hz至2000Hz，但適用于非常剛性結構的非常小的組件，例如封裝的晶體管，二極管，電阻器，電容器和集成電路

表1：IEC 60068-2-6：2008中的應用類(lèi)別的振動(dòng)強度和掃描周期數示例

 

	直流母線(xiàn)12V
	徑向AI電容器	松下Hybrid ZS系列
項目	Φ16 x 25mm 4個(gè)2200μF，25V	Φ10 x 16mm3顆560μF，25V
卷	100％（20,000毫米3）	20％（3885毫米3）
總ESR（100kHz，20°C）	3毫歐	2.8毫歐
總紋波等級	11臂	12臂

表3：案例研究，使用標準和導電聚合物電容器的直流母線(xiàn)應用

“標準”電解電容器可以具有良好的ESR和紋波電流額定值，但是Panasonic導電聚合物混合鋁類(lèi)型可以為較小的罐尺寸具有更好的額定值，并具有更好的紋波電壓性能。例如，在12V直流母線(xiàn)應用中，如果規范要求最低1500μF，總ESR為3毫歐和11 Arms紋波電流，則可以使用四個(gè)Φ16mm x 25mm的標準電解電容器或三個(gè)Panasonic ZS系列實(shí)現導電聚合物混合型Φ10mm x 16.5mm，體積僅為體積的20％，重量?jì)H為其一部分（圖3）。松下的防震功能以及減小的高度，體積和重量也大大提高了防震性能。