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技術(shù)專題
防震電容器技術(shù)
我們中的許多人都會(huì)看到設(shè)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。可以通過(guò)傳統(tǒng)方法使機(jī)械設(shè)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(qū)域。但是，在引入電子設(shè)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，車輛已成為沖擊和振動(dòng)相對(duì)惡劣的環(huán)境的典范，我們?cè)谄渲邪b各種電子產(chǎn)品，從大功率電動(dòng)機(jī)控制到自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)再到信息娛樂(lè)。最新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)甚至在輪轂中包括復(fù)雜的電子設(shè)備-在車輛的“簧下質(zhì)量”中，機(jī)械環(huán)境應(yīng)力最為嚴(yán)重。
在車輛和許多其他消費(fèi)產(chǎn)品中，電子產(chǎn)品通常對(duì)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(tǒng)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)的組件滿足相關(guān)規(guī)格的解決方案。
制定標(biāo)準(zhǔn)
要驗(yàn)證是否已充分保護(hù)組件免受振動(dòng)損害，我們必須首先為自己設(shè)定一個(gè)可接受的標(biāo)準(zhǔn)。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)檎駝?dòng)本質(zhì)上通常是相當(dāng)隨機(jī)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(zhuǎn)的機(jī)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，則有來(lái)自牽引系統(tǒng)和路面的多種來(lái)源。汽車原始設(shè)備制造商在具有標(biāo)準(zhǔn)粗糙表面的測(cè)試軌道上具有詳盡的測(cè)試制度，但是人們期望電子子系統(tǒng)及其組件已經(jīng)過(guò)評(píng)估，并證明符合某些標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)定義，隨機(jī)振動(dòng)無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化，因此一種常見的技術(shù)是應(yīng)用正弦激勵(lì)，
然后將振動(dòng)輸入設(shè)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(xù)的正弦掃頻振動(dòng)激勵(lì)也是“耐力（通過(guò)掃掠來(lái)證明）”概念的基礎(chǔ)。IEC 60068-2-6：2008是正弦振動(dòng)測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)，它還提供了一些建議的測(cè)試級(jí)別和持續(xù)時(shí)間。
圖1：正弦曲線的位移，速度和加速度之間的關(guān)系
振動(dòng)測(cè)試等級(jí)
純正弦振動(dòng)的強(qiáng)度可以用數(shù)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(dāng)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(xiàn)最大速度。請(qǐng)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(qiáng)度，并且可以方便地引用恒定量，加速度作為規(guī)格。但是，對(duì)于恒定加速度，位移會(huì)隨著頻率的降低而增加，并且在某點(diǎn)上對(duì)于測(cè)試設(shè)備的維護(hù)是不切實(shí)際的，因此，常見的規(guī)范是要求恒定位移振動(dòng)達(dá)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(cè)試條件。例如，掃描速率被指定為指數(shù)。一個(gè)八度音程，或者每分鐘頻率加倍，公差為+/- 10％。該范圍內(nèi)的較低頻率應(yīng)從任意設(shè)定值中選擇；0.1、1、5、10、55或100Hz，上限頻率應(yīng)從10、20、35、55、100、150、200、300、500、1000、2000或5000 Hz中選擇。標(biāo)準(zhǔn)中的表格顯示了測(cè)試持續(xù)時(shí)間，典型情況是10Hz至5,000Hz掃描重復(fù)100次，耗時(shí)約30小時(shí)。高達(dá)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(cè)試設(shè)備的能力，則可能需要更高的交叉頻率。
IEC 60068-2-6：2008沒有規(guī)定確切的振動(dòng)強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)。交叉頻率設(shè)置為58Hz至62Hz。低于交越頻率時(shí)使用振幅或位移規(guī)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。典型的通孔引線型具有相對(duì)較差的性能，通常在10到55Hz的掃頻范圍內(nèi)，最大額定值為10g或約100m / s2，峰到峰位移為1.5mm。盡管這對(duì)于非關(guān)鍵的商用設(shè)備是可以接受的，但其他應(yīng)用（例如公路車輛，建筑設(shè)備和農(nóng)業(yè)機(jī)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(nèi)以及在其導(dǎo)電聚合物混合材料范圍內(nèi)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(nèi)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)類型能夠承受294m / s2（30g）的沖擊，并且在5到2000Hz的振動(dòng)激勵(lì)下具有5mm的峰到峰位移，從而顯著提高了性能。分別在X，Y和Z軸上進(jìn)行了兩個(gè)小時(shí)的測(cè)試，沒有出現(xiàn)故障。這些零件的高振動(dòng)規(guī)范得到了汽車AEC-Q200兼容性和高耐用性的補(bǔ)充，根據(jù)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(dǎo)電聚合物混合鋁技術(shù)補(bǔ)充了高振動(dòng)規(guī)范
在使用高off值的應(yīng)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(xiǎn)最大。例如，逆變器或電機(jī)控制器中的直流母線連接或大功率AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器中的輸出濾波器。但是，在這些應(yīng)用中，尤其是在高開關(guān)頻率下，電容值本身通常不是關(guān)鍵參數(shù)，只要它高于大容量?jī)?chǔ)能的最小值即可。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(duì)轉(zhuǎn)換器性能至關(guān)重要。
圖2：松下抗振SMD電容器的一般結(jié)構(gòu)
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每個(gè)軸的掃描周期數(shù) |
應(yīng)用實(shí)例 |
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振幅頻率 |
0.35mm或50m / s 2 |
0.75mm或100m / s 2 |
1.5mm或200m / s 2 |
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10至55 Hz |
10 |
10 |
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大型工業(yè)發(fā)電廠，重型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，軋鋼廠，大型商船和海軍艦船。 |
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10至55 Hz |
10 |
10 |
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通用陸基和陸路運(yùn)輸，小型小型海上航行器（海軍或民用）和通用飛機(jī)使用。 |
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10至2000 Hz |
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10 |
10 |
太空發(fā)射器（200m / s2）。飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝組件 |
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55至500 Hz |
10 |
10 |
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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(yīng)。 |
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55至2000 Hz |
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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(yīng)。 |
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100至2000 Hz |
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10 |
10 |
應(yīng)用范圍為55Hz至2000Hz，但適用于非常剛性結(jié)構(gòu)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(yīng)用類別的振動(dòng)強(qiáng)度和掃描周期數(shù)示例
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直流母線12V |
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徑向AI電容器 |
松下Hybrid ZS系列 |
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項(xiàng)目 |
Φ16 x 25mm 4個(gè)2200μF，25V |
Φ10 x 16mm3顆560μF，25V |
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卷 |
100％（20,000毫米3） |
20％（3885毫米3） |
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總ESR（100kHz，20°C） |
3毫歐 |
2.8毫歐 |
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總紋波等級(jí) |
11臂 |
12臂 |
表3：案例研究，使用標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)電聚合物電容器的直流母線應(yīng)用
“標(biāo)準(zhǔn)”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(dǎo)電聚合物混合鋁類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直流母線應(yīng)用中，如果規(guī)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(biāo)準(zhǔn)電解電容器或三個(gè)Panasonic ZS系列實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物混合型Φ10mm x 16.5mm，體積僅為體積的20％，重量?jī)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。