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小型化设计中,高可靠性的EMI抑制电容应该怎么选?
2022-12-02 109

电子工业中最持久的趋势之一就是小型化。半导体技术的改进强调减小电子元器件的尺寸,同时也需要显着提高其性能。智能手机、可穿戴设备和平板电脑只是利用最新半导体技术的众多设备中的几个例子。然而,当电子器件和设备尺寸缩小并且变得更紧凑时,可靠性就成了一个重要的问题,如何抑制电噪声或干扰的影响也成为了挑战。因此,EMI抑制电容器在电子工业中也就发挥着更为重要的作用。


宽带隙半导体技术介绍

宽带隙(WBG)材料,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是市场上的创新半导体技术。与传统的硅基器件相比,它们具有更高的效率和功率密度,并且可以在更高的开关频率和恶劣的环境下工作。宽带隙MOSFET和二极管的出现,減小了电子元器件的尺寸,更显著提高了效率,特別适在移动设备中应用。在电源转换系统中,使用WBG半导体元器件可以实现更小的占板面积和更高的效率,同时在电源转换过程中实现更低的能量损耗。受益于PCB占位面积的减小,还带来了其他关键优势,如可听噪声的降低和无源元件的小型化。

但是,由于越来越多的电子器件集成到较小的封装中,因此小型化的设备更容易受到电噪声或干扰的影响。尽管在WBG设备中使用较高的频率或可有助大大降低可听噪声,但它会产生更多的高频辐射,并且需要更复杂的设计才能满足监管机构对辐射的要求。由于这些原因,EMI抑制电容器在电子工业中起着至关重要的作用,而且在关键的电气和环境应用中还需要更小型化的解决方案。


恶劣环境条件下工作的挑战

使高电压和高频率的功率器件的尺寸最小化将面对两个重要难题:更大的感应噪声和更大的热损耗。

这些挑战可能会对电子器件的可靠性和性能产生重大的影响。随着尺寸变得更小,如何让这些电子器件在恶劣环境条件工作下并能够延长其使用寿命,这是一个充满挑战的课题,如:

  • 期望电动和混合动力汽车承受更高的温度和极端的热冲击循环。

  • 在不同的现场环境中,更小的太阳能微型逆变器和智能电表的预期使用寿命长达25年,更可以无需维修。

  • 数据和通信系统的工作空间越来越小(因此每平方英尺的功率密度要求更高),以提高电子基础设施的效率。

金属化聚丙烯薄膜技术在EMI抑制中的挑战

在最新的EMI抑制膜技术发展中,制造商正在通过使用新材料和改进电容器制造工艺来实现对膜元件的出色保护。这样,产品可以承受恶劣的工作条件,否则则会降低其可靠性和性能。但是,在小型化的电容器中提高其高温、高湿度和偏置(THB)条件下的可靠性水平可能会很具有挑战性。

金属化聚丙烯薄膜技术(MKP)由于其出色的每微米高电压以及超低、稳定的耗散因子功能,是目前应用于电容器抑制EMI的主要方案之一。另外最重要的是,与其他薄膜电介质技术相比,它还具有更佳的自修复特性。然而,当施加交流或直流电压时,高温和高湿组合环境条件通常会对MKP材料产生巨大影响,从而导致电容器的加速退化并可能引发潜在的灾难性故障——其原因是锌金属化中的电化学腐蚀现象。

图1:施加的电压会驱动电化学电池中的反应。腐蚀速率与温度,湿度和电压偏差成正比。


如何确定EMI抑制薄膜容器的可靠性

电子行业中有源和无源元器件公认的加速寿命测试标准是温度湿度偏压(THB)测试,该测试条件是在交流或直流偏置条件下,工作温度85°C,相对湿度85%。多年依赖,各个行业(包括汽车、能源、消费和工业)的设计人员都使用此测试,来确定其最终产品在恶劣气候条件下是否具有长达25年工作的可靠性。最近,THB测试已被认为是EMI抑制薄膜容器的IEC标准。

下表是根据IEC标准的不同温度湿度偏置(THB)测试的条件:

表1:60384-14标准,有关测试固定电容器的等级条件


工程师为了确保其产品通过THB评估和EMI认证,可能会遇到一些挑战。

例如,为了获得所需的技术,在已经元器件密集的电路中,还要想办法加入多个EMI抑制电容器。又如下面的电路设计示例,在有限的电路板空间内还要考虑更高的功率要求,该电路设计中用于EMI抑制电容器X2和Y2的空间十分有限。

图2:在PCB面积有限的极端设计示例,电路中采用了WBG元器件以实现高能量密度的电源设计


安规电容小型化的挑战与解决方案

EMI抑制电容器本身的某些限制,与其使用的薄膜质量及其周边灌封的保护材料相关。环氧树脂的用量和类型、用于灌封电容器周边的环氧树脂,以及封装电容器壳体的材料和厚度,对于产品的可靠性至关重要。此外,在制造较小电容值的电容器时,还存在机械性挑战;在制造电容器时,较低容值的电容器需要较少的薄膜和金属化材料,这样会使产品更容易因潮湿而损坏。

不少薄膜电容器的生产商正努力研发能够应对这一挑战的产品,例如KEMET的F863X2系列,该技术满足汽车应用的AEC-Q200规格,同时为迎合消费者市场产品更紧凑的尺寸和更低的成本的要求,也提供了相应的解决方案。KEMET的R52系列也是很捧的EMI抑制解决方案,它能在恶劣环境下工作,并通过了最新的IEC-60384-14耐湿性测试,等级为IIB级。

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